WO2009135757A1 - Verfahren zur ermittlung von referenzwerten für messwerte einer mit einem kapazitiven messgerät zu messende kapazität - Google Patents

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WO2009135757A1
WO2009135757A1 PCT/EP2009/054767 EP2009054767W WO2009135757A1 WO 2009135757 A1 WO2009135757 A1 WO 2009135757A1 EP 2009054767 W EP2009054767 W EP 2009054767W WO 2009135757 A1 WO2009135757 A1 WO 2009135757A1
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probe
determined
measuring device
measured
container
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Application number
PCT/EP2009/054767
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Neuhaus
Thorsten Springmann
Christian Effner
Ralf Leisinger
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/265—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors for discrete levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention relates to a method for determining reference values for measured values of a capacitance to be measured with a probe installed horizontally in a container which can be filled with at least one filling material, a capacitor formed by the probe serving as the electrode and the container serving as a counterelectrode.
  • Capacitive measuring instruments are used in level measurement in a variety of industrial applications. They are used in particular for level measurement, for limit level monitoring and for interface measurement. During level measurement, a fill level or filling level in the container is determined by the meter. In the limit level monitoring overshooting or falling below a predetermined level in the container is monitored. Interface measurements are used when two different products are deposited in the container. The boundary between the two products is called the separation layer. Release layers occur, for example, in petrochemistry, where they are e.g. through water and
  • Hydrocarbons e.g. Oil
  • Another example is the food industry, where separating layers form, for example, in grease separators.
  • Interface measurements represent a special form of level measurement, and serve to determine the position of the separation layer in the container and / or the filling heights or the amount of the two products in the container.
  • capacitive measuring instruments have a rod-shaped probe, which is introduced in measuring operation into a container which can be filled with at least one filling substance.
  • the probe serves as an electrode which forms a capacitor together with the container.
  • earthed wall of the container forms the counter electrode.
  • the capacitor formed in this way has a capacity which depends on the instantaneous filling state of the container and which is detected by means of a suitably designed capacitance measuring circuit of the measuring device.
  • the probe for level measurement and interface measurement is inserted vertically into the container. In the limit level measurement, however, a horizontally inserted into the container probe is regularly used, which is arranged for this purpose in the container at the level of the predetermined level to be monitored.
  • the applicant offers a variety of different capacitive measuring devices for these different measuring tasks.
  • the individual measuring device variants differ in particular by the probe optimally adapted to the respective application.
  • probes of different lengths are available.
  • an insulation may be provided which surrounds the probe.
  • the probe may consist of an inactive probe section and an adjoining active probe section serving as an electrode.
  • the inactive probe portion designates a fully shielded non-electrode portion of the probe, which is usually located in the region of the container inlet. It serves inter alia to prevent short circuits between the container wall surrounding this area and
  • Whether a capacitive measuring device is suitable for a specific measuring task is usually checked today by experts who, if necessary, select a measuring device optimally tailored to this measuring task from the range of products that can then be obtained from the manufacturer. In this case, given by the measuring task given boundary conditions, such as the type and shape of the container, the desired installation method of the probe and the properties of the medium or the contents considered.
  • a key criterion in verifying that the given measurement task can be performed by a capacitive gauge is to estimate whether a change in the measured capacitance capacitance across the measurement range caused by the measurand is sufficiently large to provide a sufficiently accurate measurement to ensure the measurand. This estimation is usually made on the basis of two reference values for the expected capacity values during measurement operation.
  • the first reference value is the measured value to be expected when the container is empty
  • the second reference value is the measured value expected at maximum filling or when the probe is completely covered with the product.
  • the reference values for capacitive measuring instruments with probes inserted vertically into the container can generally be determined or approximated by calculation instructions, as explained, for example, in the 1990 issue of: 'Level Measurement in Theory and Practice' by Wim vd Kamp. However, these calculation rules are generally not applicable to capacitive gauges with probes installed horizontally in the vessel. In practice, the reference values for capacitive measuring instruments with horizontally installed probes are determined by experience, the consideration of correspondingly high safety margins or by reference measurements on site.
  • the meter will be installed and commissioned at the site. As part of commissioning, the meter will be balanced. The two reference values are determined metrologically by the
  • the invention consists in a method for determining reference values for measured values of a capacitive measuring device
  • a probe inserted horizontally into a container which can be filled with at least one filling material and serving as an electrode which, together with the container serving as a counter-electrode, forms a capacitor whose capacitance is to be measured by the measuring instrument during measuring operation,
  • the probe is divided into cylindrical segments, - For each segment, a mean FeldlinienJfite is determined, which have from this segment outgoing field lines of the electric field, and
  • this segment is determined approximately on the assumption that the respective segment, together with a region of the counter electrode leading to the field lines emanating from this segment, forms a cylindrical capacitor, its internal electrode passing through the segment and its outer electrode
  • Electrode is formed by a hollow cylindrical electrode surrounding the inner electrode concentrically in a distance corresponding to the average field line length
  • the reference value is determined based on a medium capacity, which corresponds to the capacity of a parallel connection of these cylinder capacitors.
  • the probe has an inactive probe section projecting into the container, and the inactive probe section is considered as part of the counterelectrode for determining the course of the field lines.
  • the invention comprises a method in which
  • An insulation capacity is determined, and - The reference value is determined based on the capacity of a series circuit in which the isolation capacity is connected in series with the medium capacity, wherein
  • the contributions of insulation isolation segments of the probe to insulation capacitance are determined by cylindrical capacitors whose inner electrode has an outer diameter equal to the outer diameter of the segment without insulation whose outer hollow cylindrical outer electrode concentrically surrounds the inner electrode at a distance, which is equal to the thickness of the insulation, and whose interior is completely filled with the material of the insulation, and
  • the isolation capacity is equal to the capacity of a parallel connection of these Zyünderkondensatoren.
  • the invention further comprises a development of the method for determining the reference value for the measured value of the capacitance to be measured, which would measure the measuring device with insulation in the case of a completely covered probe with an electrically conductive filling material
  • an ohmic resistance is determined, which is equal to the resistance, the one of the respective segment associated cylinder capacitor completely filling consisting of the filling material between the inner and the hollow cylindrical outer electrode of the respective cylindrical capacitor,
  • a medium resistance is determined, which is equal to the resistance of a parallel connection of all these ohmic resistors,
  • the reference value is determined by the capacity of an auxiliary circuit, in which the Isoiationskapaztician is connected in series with a parallel circuit of medium resistance and medium capacity.
  • the measuring device is operated at a measuring frequency during measuring operation, - Based on the measurement frequency, a reactance of Hilfsschaitung determined, and the reference value is determined based on the measurement frequency and reactance.
  • the invention comprises a verification method in which
  • - a measuring task is specified, - reference values relevant for the measuring task are determined, and
  • the reference values are used to check whether the measuring task can be carried out by the capacitive measuring device by estimating from the reference values whether a change in the capacitance to be measured caused by the measured variable exceeds a predetermined minimum value over the measuring range.
  • the invention further comprises a selection method for selecting a variant of the capacitive measuring device which is optimally adapted to a given measuring task using reference values determined according to the invention, in which
  • - Specified application-specific boundary conditions in particular the dielectric constant and the conductivity of the product (s), the vessel shape and the installation height, specified by the measuring task
  • - Instrument-specific parameters especially the length of the probe, the length of the inactive probe segment, the length of the active probe section and / or the material and the thickness of the insulation are considered to be variables which are varied in a manner compatible with the application constraints for finding a variant of the measuring device optimally suited to the measuring task;
  • that variant is selected as being optimally suitable in which a change in the capacitance to be measured caused by the measured variable is maximal over the measuring range.
  • An embodiment of the method according to the invention comprises a method for determining reference values for measured values of a capacitive measuring device with probe horizontally installed in the container, which serves to monitor an exceeding or falling below of a predetermined filling level of a single filling material in the container, in which
  • a reference value is determined for the measured value of the measured capacitance to be expected when the container is empty, and a reference value for the measured value to be expected when the probe is completely covered with the product,
  • a limit value for the capacitance to be measured is determined, from which the measuring device starts
  • the meter determines in measuring operation over or under the predetermined level by comparing the measured capacity with the limit.
  • a further refinement of the method according to the invention comprises a method for determining reference values for measured values of a capacitive measuring device with a probe horizontally mounted in the container, which serves to monitor a position of a separating layer formed between two filling products in the container, in which
  • a reference value is determined for the reading to be expected when the probe is completely covered by the first filling material
  • a reference value is determined for the measured value to be expected when the probe is completely covered with the second filling material
  • a limit value for the capacitance to be measured is determined, from which the measuring device should indicate that the separating layer is above or below the position determined by the installation height of the probe, - the limit value is stored in the measuring device, and
  • the measuring device in measuring mode, an overshoot or undershooting of the monitored layer of the separation layer by comparing the measured capacity with the limit determined.
  • the invention further comprises a method for using the above-mentioned verification method in a computer-aided selection, design, and / or best method for measuring equipment for industrial installations, in which
  • the invention further comprises a method for using the above-mentioned selection method in a computer-aided selection, design and / or replenishment method for measuring instruments for industrial installations, in which a user prescribes a measuring task, and
  • the reference values derived for the measurement task for the ordered variant and / or the limits derived therefrom are factory-stored in the meter prior to delivery of the meter.
  • Flg. 1 shows a capacitive measuring device with a container inserted horizontally into a container filled with a single filling material Probe, as used for point level monitoring;
  • FIG. 2 shows a capacitive measuring instrument with a probe inserted horizontally into a container with two filling materials, as used for monitoring the position of the separating layer;
  • 3 to 7 show a schematic overview of all possible cases of embodiments of electric field lines of between
  • 19 shows an equivalent circuit diagram for a capacitive measuring device, in which a sensor formed by an insulation of the probe
  • Isolation capacity is arranged in series with a medium capacity
  • FIG. 20 shows an equivalent circuit diagram for a capacitive measuring device, in which the insulation capacitance is arranged in series with a parallel circuit of medium capacitance and medium resistance.
  • Fig. 1 shows a filled with a product A container 1 on which a capacitive measuring device 3 is mounted.
  • the capacitive measuring device 3 has a horizontally inserted into a container 1 rod-shaped probe 5, which is mounted by means of a Befest Trentsvorrumbletung 7 on the container 1.
  • a measuring device housing 9 connected to the probe 5 is provided outside the container 1, in which an electronic measuring device 11 is located.
  • the probe 5 serves as an electrode, which forms a capacitor together with a counterelectrode 13 formed by the wall of the container 1.
  • the meter electronics 11 serves to measure one of a current filling state of the container 1 dependent capacitance C of this capacitor to measure, and on the basis of the measured capacitance a Messsigna! derive and display or output that the desired measurand reflects.
  • Capacitive measuring devices 3 measure the actual state-dependent capacitance by applying an electrical drive signal in the form of an alternating electrical voltage with a predefinable frequency f to the capacitor and an associated capacitance-dependent response signal.
  • a current signal e.g. is converted via a resistor into a voltage signal, recorded and evaluated.
  • a calculation algorithm is used which evaluates the admittance of the response signal, its magnitude and the phase between the drive signal and the response signal, and determines the capacitance C therefrom.
  • Corresponding capacitance measuring methods are described, for example, in DE 10 2004 047 413 A1 or DE 101 61 069 A1.
  • the probe 5 in the region of the insertion of the probe 5 into the container 1, as shown in Fig. 1, have an inactive probe portion 15 of length LI. In this inactive
  • Section 15 the probe 5 is completely shielded to the outside, so that only an adjoining active probe portion 17 of length LA acts as an electrode for the capacitor formed by the probe 5 and the container 1. This is e.g. achieved that the meter is insensitive to contamination or deposits that can be deposited in the usually narrow insertion region of the probe 5 in the container 1.
  • the probe 5 may be surrounded by an insulation 19 depending on the application and design. In that shown in Fig. 1
  • the entire active probe portion 17 is completely surrounded by the insulation 19.
  • Fully isolated probes 5 are used in particular for measurements in conductive and / or polluting media in order to avoid a capacitive short circuit.
  • the measuring arrangement shown in Fig. 1 with the capacitive measuring device 3 with horizontally mounted probe 5 is for example for monitoring a used predetermined level.
  • the probe 5 is inserted at a height H in the container 1, which corresponds to the predetermined level to be monitored.
  • the capacitance of the capacitor formed by the probe 5 and serving as counter electrode 13 Benzoiter 1 is measured and determined by comparing the measured capacitance with a threshold to be determined in advance, whether the level is above or below the predetermined level.
  • capacitive measuring devices with horizontally installed probes 5 can be used not only for monitoring the level but also for monitoring the position of a separating layer T formed between two filling products A, B located in the container 1.
  • the probe 5 is inserted at a height H which corresponds to the position of the separating layer T to be monitored.
  • An embodiment of this is shown in Fig. 2.
  • the capacity of the container 1 serving as the probe 5 and the counter electrode 13 is measured and, by comparing the measured capacitance with a threshold to be determined beforehand, it is determined whether the separating layer T is above or below the monitored one Location is located.
  • reference values R for the measured values of the capacitance C to be expected during measurement operation.
  • these are a reference value RE, which represents the measured value of the measured capacitance C to be expected when the container 1 is empty, and a reference value RF 1 of the probe 5 which is completely covered by the product A Measured value of the measured capacitance C reproduces.
  • the method according to the invention When monitoring the position of the separating layer T, the method according to the invention provides a reference value RFa for the measured value of the measured capacitance C to be expected when the probe 5 is completely covered by the first filling material A and a reference value RFb for the probe completely covered by the second filling material B. 5 expected value of the capacitance C determines.
  • a reference value RE for the measured value of the measured capacitance C to be expected when the container 1 is empty is additionally determined.
  • the procedure according to the invention is such that approximately a course of field lines F of an electric field is determined, which would form in free space between the probe 5 and the counterelectrode 13 due to a voltage applied between the probe 5 and the counterelectrode 13.
  • the field lines F run along the probe 5 in each case along the shortest connecting line between the probe 5 and the counter electrode 13 and impinge perpendicularly on the probe 5 and the counter electrode 13.
  • the field lines F are preferably approximated by straight lines and circle segments, in particular by semicircles and quarter circles.
  • the course and the length of the field lines F is determined by the geometry of the container 1, the length LI of the optionally provided inactive probe section 15 of the probe 5, the length LA of the active
  • Probe section 17 of the probe 5 the length L of the probe 5 in total, and the installation height H of the probe 5 is determined.
  • the installation height H of the probe 5 and the container radius RB along the probe 5 form three different field line types.
  • the first type of field line is formed by field lines Fi running in a quarter circle from the probe 5 to the container wall 21 into which the probe 5 is inserted.
  • the second type of field line is formed by field lines Fj which extend in a straight line from the probe 5 to the container bottom 23.
  • the third type of field line is formed by field lines Fk, which are quarter-circle from the probe 5 to that of the probe insertion Container wall 25 run.
  • rk: 2 RB - r
  • both field lines Fi of the first feeder line type and field lines Fk of the third field line type are formed,
  • both field lines Fi of the first field line type and field lines Fj of the second field line type are formed.
  • the two cases differ only in that the probe 5 projects beyond the center of the container in the case illustrated in FIG. However, in both cases it is not long enough for field lines also to form the container wall 25 opposite the probe insertion. This case is shown in FIG. There, all three field line types occur.
  • the four types of feeder described below can be formed.
  • the first field-line type comprises field lines F1, which extend from the active probe section 17 to the inactive probe section 15 acting as part of the counter-electrode 13. These field lines F1 are approximated by a semicircle.
  • the length LFI of these field lines Fl corresponds to the length of a semicircle with a radius r 'equal to the distance of the region of the active probe section 17 from which the field line Fl emanates to the inactive probe element 15, i. LFI - ⁇ r '.
  • the fourth type of field line includes field lines Fo from the active probe portion 17 to that of the probe lead-in Container wall 25 run. These Fei Plantien Fo are approximated by a quarter circle whose radius r "equal to the average distance of the region of the active probe portion 17 from which the FeIdISnSe Fo proceeds to the container wall opposite the insertion 25. For this radius r" applies:
  • RB is the radius of the container
  • LI is the length of the inactive probe section
  • r ' is the distance of the region of the active probe section 17 from which the field line Fo emanates to the inactive probe element 15.
  • the course of the field lines F also necessarily results from the fact that in each area of the probe 5, that field line type forms along the probe 5 which has the smallest length LFI, LFm 1 LFn, LFo.
  • Probe section 17 in which form field lines Fl of the first field line type and forming a second adjoining the first region area in which field lines Fm of the second field line type.
  • the installation height H is so small that even between the active probe section 17 and the
  • Container bottom 23 extending field lines Fn occur from the third field line type.
  • N 1,, .., N of length Lsx.
  • the active probe portion 17 it is sufficient to divide the active probe portion 17 into segments 81, S2, ... SN, since the inactive probe portion 15 does not serve as an electrode.
  • the entire probe 5 is divided into segments S1, S2 SN.
  • the division is preferably made on the basis of the areas resulting from the different forming field line types.
  • each segment Sx of the probe 5 is assigned a region Wx of the counterelectrode 13 to which the field lines Fx emanating from the segment Sx lead.
  • an average field line length LFx is determined which comprises the field lines Fx extending from the respective segment Sx and the region Wx of the counterelectrode 13 assigned to it by the field line course.
  • the above-mentioned calculation rules are used for the field line length of the individual field line types, wherein for the first and the third field line type for probes 5 without inactive probe section 15 for the radius r, the average distance of the segment Sx from the container wall containing the probe insertion 21 and in the first, second and fourth field line types for probes 5 with inactive probe section 15 for the radius r ', the mean distance of the segment Sx from the inactive probe section 15 is used.
  • Reference value RE for the measured value of the measured capacitance C to be expected when the container 1 is empty is the medium air.
  • the medium is the corresponding product A
  • ⁇ o is the electric field constant
  • ⁇ r is the dielectric constant of the medium in the cylinder capacitor (here air, the filling material A or the filling material B)
  • Lsx is the length of the segment Sx 1 LFx is the average field line length in the segment Sx, and d is the diameter of the probe segment Sx
  • CM Medium capacity CM designated capacity, which is equal to the capacity a circuit which is formed by a parallel connection of the individual Zyünderkondensatoren.
  • the respective sought reference value R is determined on the basis of this medium capacity CM.
  • insulation capacitance Ci acts as an additional capacitor, hereinafter referred to as insulation capacitance Ci, which is connected in series with the medium capacitance CM.
  • insulation capacitance Ci acts as an additional capacitor, hereinafter referred to as insulation capacitance Ci, which is connected in series with the medium capacitance CM.
  • the insulation 19 contributes to the capacitance C measured by the capacitive measuring device.
  • This additional insulation capacitance Ci is therefore taken into account in the determination of the reference values R in such a way that the reference value R is determined on the basis of the capacitance CMi of a circuit in which the isolation capacity Ci is connected in series with the medium capacity CM.
  • the contributions of the segments Sx of the probe 5 to the insulation capacitance Ci surrounded by the insulation 19 are determined by means of cylindrical capacitors whose inner electrode has an outer diameter which is equal to the outer diameter of the segment Sx without insulation 19 whose hollow cylindrical outer electrode concentrically surrounds the inner electrode surrounds at a distance which is equal to the thickness of the insulation 19, and whose interior is completely filled with the material of the insulation 19.
  • Di is the diameter of the So ⁇ de ⁇ segments Sx with insulation, and d s the diameter of the probe segment Sx without insulation 19 mean.
  • the insulation capacity Ci is determined, which is equal to the capacitance of a circuit which is represented by a parallel connection of the individual cylinder capacitors.
  • the reference value RE is determined for the expected value of the measured capacitance C when the container 1 is empty.
  • the reference value RF for the measured value of the measured capacitance C When determining the reference value RF for the measured value of the measured capacitance C to be expected when the probe 5 is completely covered by the product A, a distinction is made between conductive and non-conductive products A. Strictly speaking, all products A, which have a non-zero conductivity, are considered to be conductive. Alternatively, a threshold value for the conductivity can also be introduced to reduce the computational effort. In this case, only those contents A will be classified as conductive contents A whose conductivity exceeds the threshold value. The threshold value is selected such that the effect of the ohmic connection between probe 5 and counter electrode 13 given by the conductivity on the capacitance C to be measured or the reference value RFa is negligible compared to the effect of the medium capacitance CM on this variable.
  • the reference value RF for non-conductive contents A is determined analogously to the reference value RE for the value of the capacity C to be expected when the container 1 is empty by using the dielectric constant of the product A in determining the medium capacity CM instead of the dielectric constant of air.
  • the probe 5 together with the counter electrode 13 does not form a pure capacitor.
  • an ohmic connection is formed between the probe 5 and the counterelectrode 13, which can be approximately reproduced by a medium resistance RM connected in parallel with the medium capacitance CM, as shown in the equivalent circuit shown in FIG.
  • the insulating circuit Ci is additionally shown in the equivalent circuit diagram, which is arranged in series with the parallel connection of medium capacitance CM and medium resistance RM.
  • both the insulation capacity Ci and the medium resistance RM contribute to that of the capacitive measuring device Therefore, the medium level RM and the isolation capacity Ci are preferably taken into account in determining the reference value RF such that the reference value RF is determined from the capacitance CRMi of a circuit in which the isolation capacitance Ci is connected in series with a parallel circuit of medium capacitance CM and Media resistance RM is connected.
  • an ohmic resistance Rx is determined for each segment Sx, which is equal to the resistance that forms a filling of the filling material A completely filling the associated cylinder capacitor between the inner and the hollow cylindrical outer electrode of the respective cylindrical capacitor.
  • LFx is the average field line length in the segment Sx 1 and d is the diameter of the probe segment Sx.
  • the medium resistance RM is equal to the resistance which a parallel connection of all these resistors Rx has. Accordingly:
  • the reference value RF is determined based on the capacitance of the auxiliary circuit shown in FIG. 20, in which the isolation capacitance Ci is connected in series with the parallel circuit of medium resistance RM and medium capacitance CM.
  • the phase shift ⁇ is additionally taken into account in the form of a correction factor f ( ⁇ ).
  • the correction factor f ( ⁇ ) is a function of the phase shift ⁇ , and is preferably selected as a function of the capacitance measuring method used in the measuring device 3.
  • the determination of the reference values RE, RFa and RFb relevant in connection with the separation layer monitoring is carried out in a completely analogous manner, whereby in each case the physical properties, in particular the conductivity ⁇ a or ⁇ b , of the corresponding filling material A are determined in the determination of the reference values RFa and RFb or B are used.
  • the starting point for the use of the method according to the invention for determining the reference values RE and RF or RE, RFa and RFb is typically a predetermined measurement task.
  • the measuring task may be, for example, to monitor the exceeding or falling below a predetermined level of a product A, or consist in determining whether the location of a between two contents A, B existing separation layer T exceeds a predetermined height or below.
  • boundary conditions such as the shape of the container 1, a predetermined by the container shape maximum allowable length L of the probe 5, the installation height H of the probe 5, and the dielectric constant ⁇ r and the conductivity ⁇ of the filling A or the contents A, B specified.
  • the predetermined measuring task can be performed by a capacitive measuring device.
  • the reference values RE, RF or RE, RFa and RFb that are relevant for this measurement task are determined under the boundary conditions given by the measurement task, and the reference values RE, RF or RE, RFa and RFb are used to check whether the measurement task corresponds to a boundary conditions trained capacitive measuring device 3 can be executed.
  • the reference values RE, RF or RE, RFa and RFb are used to estimate whether a change in the capacitance to be measured caused by the measured variable exceeds a predetermined minimum value over the measuring range.
  • the difference between the two reference values RE and RF is determined for this purpose. This difference corresponds to the change in the capacitance to be measured over the measuring range caused by the measured variable. If the difference exceeds a predetermined minimum size, then the measuring task, here the
  • Point level monitoring be carried out with a capacitive measuring device. From a purely metrological point of view, a difference of one pF suffices. A change in capacitance of one pF can be measured without further ado. In practice, however, for pure product in indoor constant temperature applications, a minimum difference of 4 to 10 pF is considered
  • the difference between the reference values RFa and RFb is determined accordingly.
  • this difference In order for the measuring device to reliably detect whether the position of the separating layer exceeds or falls below the height prescribed by the installation height H, this difference must be greater than a predetermined minimum size.
  • the most suitable measuring device is determined from the multiplicity of possible measuring device variants that can be used under the boundary conditions given by the given measuring task.
  • that variant is selected as being optimally suitable on the basis of the reference values RE, RF or RE, RFa, RFb, in which a change in the capacitance to be measured caused by the measured variable is maximal over the measuring range.
  • this is the variant in which the two reference values RE and RF have the greatest difference.
  • this is the variant in which the difference between the reference values RFa and RFb is maximum.
  • the application-specific boundary conditions esp.
  • the dielectric constant ⁇ r and the conductivity ⁇ of the or the contents A, B, the container shape and the installation height H, given, and the meter-specific parameters, especially the length L of Probe 5 or the length of the inactive probe portion 15 and the length LA of the active probe portion 17, the material and the thickness of the isotope 19, considered as variables, in an acceptable manner with the application-specific constraints for finding a optimal for the measurement task suitable measuring device variant can be varied.
  • the reference values RE and RF, or RE, RFa, RFb are respectively determined for each variant of the measuring device, and that variant selected to be optimally suitable in which the difference of the two reference values RE, RF is maximum or the difference between the reference values RFa and RFb is maximum is.
  • a variant of the measuring device 3 that is optimally selected for the measuring task selected in this way can then be offered to the user and obtained from the manufacturer. If the user decides for the variant offered to him, the reference values RE and RF or RE, RFa, RFb relevant for the measurement task can be determined in advance in the manner according to the invention and stored in the measuring device 3 before commissioning, preferably at the factory. In this case, in the determination of the reference values RE and RF, or RE, RFa, RFb, preferably known measuring device-specific and / or production-related dimensions and / or physical properties of individual components of the measuring device 3 are taken into account.
  • the limit value for the measured value of the capacitance C to be measured is preferably determined on the basis of the reference values RE and RF and stored in the measuring device.
  • the limit value can be determined, for example, on the basis of the reference value RE for the capacity measurement value to be expected when the container 1 is empty, this is added to this a small predetermined capacity change .DELTA.C, for example, of 2 pF, which is smaller than the difference between the two reference values RE and RF.
  • the limit value for the measured value of the capacitance C to be measured is preferably determined on the basis of the reference values RE and RFa, and stored in the measuring device 3.
  • the limit value can be determined, for example, by adding to the small amount of the two reference values RFa, RFb a small predefined capacitance change ⁇ C, for example of 2 pF, which is smaller than the difference between the two reference values RFa and RFb.
  • the product with the lower specific weight in this case the product B, floats on the product with the greater specific weight, in this case the product A. If the lighter product B has a lower dielectric constant ⁇ r and thus also a lower reference value RFb, as the heavier contents A, exceeding the limit means that the
  • Separating layer T is located above the predetermined by the installation height H location.
  • the measuring device 3 is thus directly usable.
  • An adjustment of the device, in which the reference values must be laboriously determined suburb especially by reference measurements and the limit values must be derived is superfluous.
  • the user specifies the measuring task and the associated boundary conditions to the system via an appropriately designed user interface.
  • the reference values R 1 which are relevant for the measurement task, for example RE and RF or RE, RFa and RFb, are determined.
  • the system checks according to the method described above whether the measuring task can be performed by a capacitive measuring device. The result of this check is communicated to the user via the user interface.
  • the measuring task can be carried out by a capacitive measuring device
  • the user can continue by using the computer-aided selection, deflection and / or ordering method for measuring instruments for industrial installations, for the measuring task specified by him on the basis of the boundary conditions specified by the measuring task
  • optimally designed capacitive measuring device can be selected and offered from the variety of available measuring device variants. This is done according to the method already described above. Again, the individual process steps are implemented in software and executed by the computer or the system to which the user has access via the menu-driven user interface directly or via the Internet.
  • the user then has the opportunity to assign the measuring device designed optimally for his application via the user interface. If the user orders, there is the possibility of factory pre-delivery
  • Measuring instrument 3 on the basis of the already existing reference values R make a comparison of the measuring device 3, in which the reference values R already determined for the measurement task for the ordered variant, and optionally derived therefrom limit values are stored in the measuring device 3.
  • the limit values are, in particular, those described above
  • the meter can then be used immediately after delivery. An on-site reconciliation is no longer required.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten (R) für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät (3), das eine im Messbetrieb horizontal in einen mit mindestens einem Fülägut (A1 B) befüllbaren Behälter (1) eingeführte als Elektrode dienende Sonde (5) aufweist, die zusammen dem als Gegenelektrode (13) dienenden Behälter (1) einen Kondensator bildet, dessen Kapazität im Messbetrieb von dem Messgerät (3) zu messen äst, zu messenden Kapazität beschrieben, die das kapazitive Messgerät (3) bei leerem Behälter (1) oder bei vollständig mit einem einzigen Füllgut (A, B) bedeckter Sonde (5) messen würde, bei dem näherungsweise ein Verlauf von Feidlinien (F) eines elektrischen Feldes ermittelt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde (5) und der Gegenelektrode (13) aufgrund einer zwischen Sonde (5) und Gegenelektrode (13) anliegenden Spannung ausbilden würde, die Sonde (5) in zylindrische Segmente (S 1, S2,... SN) unterteilt wird, für jedes Segment (Sx) eine mittlere Feidlinienlänge (LFx) bestimmt wird, die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feldlinien (Fx) des elektrischen Feldes aufweisen, und der Beitrag dieses Segments (Sx) zum Referenzwert (R) näherungsweise unter der Annahme bestimmt wird, dass das jeweilige Segment (Sx) zusammen mit einem Bereich (Wx) der Gegenelektrode (13) zu dem die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feidlinien (Fx) führen einen Zylinderkondensator bildet, dessen innere Elektrode durch das Segment (Sx) und dessen äußere Eiektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge (LFx) entsprechenden Abstand umgebende hohlzylindrische Elektrode gebildet ist, der bei leerem Behäiter (1) leer ist bzw. der bei vollständig mit dem Füllgut (A1 B) bedeckter Sonde (5) vollständig mit dem Füllgut (A, B) gefüllt ist, und der Referenzwert (R) anhand einer Mediumskapazität (CM) bestimmt wird, die der Kapazität einer Parallelschaltung der einzelnen Zylinderkondensatoren entspricht.

Description

Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät zu messende Kapazität
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät mit einer horizontal in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingebauten Sonde zu messenden Kapazität eines durch die als Elektrode dienende Sonde und den als Gegenelektrode dienenden Behälter gebildeten Kondensators.
Kapazitive Messgeräte werden in der Füllstandsmesstechnik in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen einsetzt. Sie werden insb. zur Füllstandsmessung, zur Grenzstandsüberwachung und zur Trennschichtmessung eingesetzt. Bei der Füllstandsmessung wird mit dem Messgerät ein im Behälter vom Füllgut eingenommener Füllstand bzw. ein Befüllungsgrad bestimmt. Bei der Grenzstandsüberwachung wird ein Überoder Unterschreiten eines vorbestimmten Füllstandes im Behälter überwacht. Trennschichtmessungen kommen zum Einsatz, wenn sich in dem Behälter zwei unterschiedliche Füllgüter aufeinander ablagern. Die Grenze zwischen den beiden Füllgütern wird als Trennschicht bezeichnet. Trennschichten treten beispielsweise in der Petrochemie auf, wo sie z.B. durch Wasser und
Kohlenwasserstoffe, z.B. Öl, gebildet werden. Ein weiteres Beispiel ist die Lebensmittelindustrie, wo sich Trennschichten beispieisweise in Fettabscheidern ausbilden. Trennschichtmessungen stellen eine Spezialform der Füllstandsmessung dar, und dienen dazu, die Lage der Trennschicht im Behälter und/oder die Füllhöhen oder die Menge der beiden im Behälter befindlichen Füllgüter zu bestimmen.
Üblicher Weise weisen kapazitive Messgeräte eine stabförmige Sonde auf, die im Messbetrieb in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingeführt wird. Die Sonde dient als Elektrode, die zusammen mit dem Behälter einen Kondensator bildet. Dabei bildet die üblicher Weise geerdete Wand des Behälters die Gegenelektrode. Der auf diese Weise gebildete Kondensator weist eine vom momentanen Befülizustand des Behälters abhängige Kapazität auf, die mittels einer entsprechend ausgebildeten Kapazitätsmessschaltung des Messgeräts erfasst wird. Üblicher Weise wird die Sonde zur Füllstands- und zur Trennschichtmessung vertikal in den Behälter eingeführt. Bei der Grenzstandsmessung wird dagegen regelmäßig eine horizontai in den Behälter eingeführte Sonde verwendet, die hierzu im Behälter auf der Höhe des vorbestimmten zu überwachenden Füllstands angeordnet wird.
Die Anmelderin bietet für diese verschiedenen Messaufgaben eine Vielzahl unterschiedlicher kapazitiver Messgeräte an. Die einzelnen Messgerätvarianten unterscheiden sich insb. durch die an die jeweilige Anwendung möglichst optimal angepasste Sonde. So sind beispielsweise Sonden unterschiedlicher Länge erhältlich. Zusätzlich kann eine Isolation vorgesehen sein, die die Sonde umgibt. Auch kann die Sonde aus einem inaktiven Sondenabschnitt und einem daran anschließenden als Elektrode dienenden aktiven Sondenabschnitt bestehen. Der inaktive Sondenabschnitt bezeichnet einen vollständig abgeschirmten nicht als Elektrode wirkenden Abschnitt der Sonde, der üblicher Weise im Bereich der Behältereinführung angeordnet ist. Er dient unter anderem dazu, Kurzschlüsse zwischen der diesen Bereich umgebenden Behälterwand und verhindern,
Ob ein kapazitives Messgerät für eine bestimmte Messaufgabe geeignet ist, wird heute in der Regel von Fachleuten überprüft, die im Bedarfsfall ein optimal auf diese Messaufgabe zugeschnittenes Messgerät aus der Angebotspalette auswählen, dass dann vom Hersteller bezogen werden kann. Dabei werden durch die Messaufgabe vorgegebene Randbedingungen, wie z.B. Art und Form des Behälters, die gewünschte Einbauweise der Sonde und die Eigenschaften des Füllguts bzw. der Füllgüter, berücksichtigt. Ein entscheidendes Kriterium bei der Überprüfung, ob die vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, besteht darin, abzuschätzen, ob eine durch die Messgröße verursachte Änderung der mit dem Messgerät gemessenen Kapazität über den Messbereich hinweg ausreichend groß ist, um eine ausreichend genaue Messung der Messgröße zu gewährleisten. Diese Abschätzung wird in der Regel anhand von zwei Referenzwerten für die im Messbetrieb zu erwartenden Kapazitätsmesswerte vorgenommen. Der erste Referenzwert ist der bei leerem Behälter zu erwartende Messwert, und der zweite Referenzwert der bei maximaler Befüllung bzw. bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde zu erwartende Messwert . Dabei können die Referenzwerte für kapazitive Messgeräte mit vertikal in den Behälter eingeführten Sonden in der Regel durch Berechnungsvorschriften bestimmt oder angenähert werden, wie sie beispielsweise in der 1990 erschienen Ausgabe von: 'Füllstandsmesstechnik in Theorie und Praxis' von Wim v. d. Kamp erläutert sind. Diese Berechnungsvorschriften sind jedoch in der Regel nicht auf kapazitive Messgeräte mit horizontal in den Behälter eingebauten Sonden anwendbar. In der Praxis werden die Referenzwerte für kapazitive Messgeräte mit horizontal eingebauten Sonden durch Erfahrungswissen, die Berücksichtigung entsprechend großer Sicherheitsmargen oder durch Referenzmessungen vor Ort ermittelt.
Wenn ein geeignetes kapazitives Messgerät gefunden werden konnte, wird das Messgerät am Messort installiert und in Betrieb genommen. Im Rahmen der Inbetriebnahme wird ein Abgieich des Messgeräts vorgenommen. Dabei werden die beiden Referenzwerte messtechnisch bestimmt, indem die
Kapazität bei leerem Behälter und bei maximaler Befüllung des Behälters bzw. bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde mit dem kapazitiven Messgerät gemessen werden.
Bei der kapazitiven Grenzstandsüberwachung wird anhand dieser beiden
Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität bestimmt, ab dem das Messgerät ein Überschreiten des vorgegebenen Füllstandes anzeigen soll . Dieser Grenzwert wird beispielsweise als Schaltpunkt im Gerät abgespeichert.
Sowohl die Überprüfung, ob eine vorgegebene Messaufgabe mit einem kapazitiven Messgerät zuverlässig ausführbar ist, die Auswahl eines optimal für die Messaufgabe ausgelegten kapazitiven Messgeräts aus der Vielzahl der am Markt erhältlichen Messgerätvarianten, als auch der nachfolgende im Rahmen der inbetriebnahme erforderliche Abgleich des entsprechenden Messgeräts erfordern die Bestimmung der Referenzwerte durch entsprechend gut ausgebildetes Personal. Dabei kann der Abgleich des Messgeräts vor Ort dazu führen, dass Produktionsprozesse verändert oder sogar kurzzeitig unterbrochen werden müssen, um die entsprechenden Füllstände zur Gewinnung der Referenzwerte anzufahren.
In der Mess- und Regeltechnik werden immer häufiger computer-gestützte Systeme verwendet, die bereits heute für eine Vielzahl von Messaufgaben in der Lage sind, aus einer Vielzahl unterschiedlicher Messgeräte diejenigen Messgerättypen auszuwählen und vorzuschlagen, die für eine vorgegebene Messaufgabe geeignet sind. Auch gibt es einige Fälle, bei denen derartige Systeme für einen gewählten Messgerättyp aus der erhältlichen Vielzahl von Varianten dieses Messgerättyps dasjenige auswählen und vorschlagen, dass für die spezielle Anwendung optimal geeignet ist. Daran können elektronische Bestell- und Lieferverfahren angebunden sein, die dem Anwender eine automatische Bestellung der für seine Anwendung optimal geeigneten Variante des entsprechenden Messgerätetyps erlauben.
Beispiele hierzu sind in der DE 101 04 165 A1 , der DE 10 2006 060441.5 und der DE 10 2006 060919.0 beschrieben.
In Verbindung mit kapazitiven Messgeräten ist der Einsatz solcher Systeme jedoch nur begrenzt möglich, da bereits bei der Überprüfung, ob eine vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, detaillierte Kenntnisse über die oben beschriebenen Referenzwerte erforderlich sind, um Beurteilen zu können, ob die durch die Messgröße über den Messbereich hinweg verursachte Änderung der Kapazität groß genug ist, um die Messgröße mit ausreichender Genauigkeit bestimmen zu können.
Für kapazitive Messgeräte mit vertikal eingebaute Sonden ist es bereits heute möglich die zu erwartenden Referenzwerte wie oben beschrieben rechnerisch abzuschätzen. Beispiele hierzu sind in der 1990 erschienen Ausgabe von: FüNstandsmesstechnik in Theorie und Praxis von Wim v.d. Kamp erläutert.
Für horizontal eingebaute Sonden gibt es dagegen nur Schätz- oder Erfahrungswerte, die in der Rege! nur von Fachleuten auf dem Gebiet sinnvoll eingesetzt werden können, und einen experimentellen Abgleich vor Ort in der Regel nicht ersetzen können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem Referenzwerte für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät mit einer horizontal in einen Behälter eingebauten Sonde zu messenden Kapazität bestimmt werden können. Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts,
- das eine im Messbetrieb horizontal in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingeführte als Elektrode dienende Sonde aufweist, die zusammen dem als Gegeneiektrode dienenden Behälter einen Kondensator bildet, dessen Kapazität im Messbetrieb von dem Messgerät zu messen ist,
- die das kapazitive Messgerät bei leerem Behälter oder bei vollständig mit einem einzigen Füllgut bedeckter Sonde messen würde, bei dem - näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien eines elektrischen Feldes ermittelt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde und der Gegeneiektrode aufgrund einer zwischen Sonde und Gegenelektrode anliegenden Spannung ausbilden würde,
- die Sonde in zylindrische Segmente unterteilt wird, - für jedes Segment eine mittlere FeldlinienJänge bestimmt wird, die von diesem Segment ausgehenden Feldlinien des elektrischen Feldes aufweisen, und
- der Beitrag dieses Segments zum Referenzwert näherungsweise unter der Annahme bestimmt wird, dass das jeweilige Segment zusammen mit einem Bereich der Gegeneiektrode zu dem die von diesem Segment ausgehenden Feldlinien führen einen Zylinderkondensator bildet, ™ dessen innere Elektrode durch das Segment und dessen äußere
Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge entsprechenden Abstand umgebende hohlzylindrische Elektrode gebildet ist,
- der bei leerem Behälter leer ist bzw. der bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde vollständig mit dem Füllgut gefüllt ist, und
- der Referenzwert anhand einer Mediumskapazität bestimmt wird, die der Kapazität einer Parallelschaltung dieser Zylinderkondensatoren entspricht.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens weist die Sonde einen in den Behälter hinein ragenden inaktiven Sondenabschnitt auf, und der inaktive Sondenabschnitt wird für die Bestimmung des Verlaufs der Feldlinien als Teil der Gegenelektrode betrachtet. Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst die Erfindung ein Verfahren, bei dem
- die Sonde von einer Isolation umgeben ist,
- eine Isolationskapazität bestimmt wird, und - der Referenzwert anhand der Kapazität einer Serienschaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität in Serie zu der Mediumskapazität geschaltet ist, wobei
- die Beiträge der von der Isolation umgebenen Segmente der Sonde zur Isolationskapazität anhand von Zylinderkondensatoren bestimmt werden, deren innere Elektrode einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments ohne Isolation ist, deren äußere hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation gefüllt ist, und
- die Isolationskapazität gleich der Kapazität einer Parallelschaltung dieser Zyünderkondensatoren ist.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung des Verfahrens zur Ermittlung des Referenzwertes für den Messwert der zu messenden Kapazität, die das Messgerät bei vollständig mit einem ieitfähigen Füllgut bedeckter Sonde mit Isolation messen würde, bei dem
- anhand der Leitfähigkeit des Füllguts für jedes Segment ein ohmscher Widerstand bestimmt wird, der gleich dem Widerstand ist, den eine den dem jeweiligen Segment zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektrode des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet,
- ein Mediumswiderstand bestimmt wird, der gleich dem Widerstand einer Parallelschaltung aller dieser ohmschen Widerstände ist,
- und der Referenzwert anhand der Kapazität einer Hilfsschaltung bestimmt wird, in der die Isoiationskapazität in Serie zu einer Parallelschaltung aus Mediumswiderstand und Mediumskapazität geschaltet ist.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens
- wird das Messgerät im Messbetrieb bei einer Messfrequenz betrieben, - anhand der Messfrequenz ein Blindwiderstand der Hilfsschaitung bestimmt, und der Referenzwert wird anhand der Messfrequenz und des Blindwiderstandes bestimmt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung
- wird ein Wirkwiderstand der Hilfsschaitung bestimmt,
- es wird anhand des Blindwiderstandes und des W irkwtd erstand es eine durch die Hilfsschaitung bei der Messfrequenz bewirkte Phasenverschiebung bestimmt, und - der Referenzwert wird anhand der Messfrequenz, des Bündwiderstands und der Phasenverschiebung bestimmt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Überprüfungsverfahren, bei dem
- eine Messaufgabe vorgegeben wird, - für die Messaufgabe relevante Referenzwerte bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, indem anhand der Referenzwerte abgeschätzt wird, ob eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
Weiter umfasst die Erfindung ein Auswahl verfahren zur Auswahl einer optimal an eine vorgegebene Messaufgabe angepassten Variante des kapazitiven Messgeräts anhand von erfindungsgemäß bestimmten Referenzwerten, bei dem
- durch die Messaufgabe vorgegebene anwendungs-spezifische Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit des oder der Füllgüter, die Behälterform sowie die Einbauhöhe, vorgegeben werden, - messgerät-spezifische Parameter, insb. die Länge der Sonde, die Länge des inaktiven Sondenabschnitt, die Länge des aktiven Sondenabschnitts und/oder das Material und die Dicke der Isolation, als Variablen betrachtet werden, die in einer mit den anwendungspezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung eines für die Messaufgabe optimal geeigneten Variante des Messgeräts variiert werden,
- für jede Variante jeweils die für die Messaufgabe relevanten Referenzwerte bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt wird, bei der eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts mit horizontal in den Behälter eingebauter Sonde, das zur Überwachung eines Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines einzigen Füllguts im Behälter dient, bei dem
- ein Referenzwert für den bei leerem Behälter zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität und ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät ein
Überschreiten des vorgegebenen Füilstandes anzeigen soll,
- der Grenzwert im Messgerät abgespeichert wird, und
- das Messgerät im Messbetrieb ein Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts mit horizontal in den Behälter eingebauter Sonde, das zur Überwachung einer Lage einer zwischen zwei im Behälter befindlichen Füllgütern ausgebildeten Trennschicht dient, bei dem
- ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät anzeigen soll, dass sich die Trennschicht ober- bzw. unterhalb der durch die Einbauhöhe der Sonde vorgegebenen Lage befindet, - der Grenzwert im Messgerät abgespeichert wird, und
- das Messgerät im Messbetrieb ein Über- oder Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden bei der Bestimmung der Referenzwerte werkseitig bekannte messgerät-spezifische und/oder fertigungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts berücksichtigt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung des oben genannten Überprüfungsverfahrens in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Beste 11 verfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerten überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät ausführbar ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung des oben genannten Auswahlverfahrens in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs- und/oder Besteilverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem - ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen eine für diese Messaufgabe optimal geeignete Variante des kapazitives Messgerät ausgewählt, und dem Anwender angeboten wird.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens
- bestellt der Anwender das angebotene Messgerät, und
- die für die Messaufgabe für die bestellte Variante abgeleiteten Referenzwerte und/oder daraus abgeleitete Grenzwerte werden werkseitig vor der Auslieferung des Messgeräts in dem Messgerät abgespeichert.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Flg. 1 zeigt ein kapazitives Messgerät mit einer horizontal in einen mit einem einzigen Füllgut befüllten Behälter eingeführten Sonde, wie es zur Grenzstandsüberwachung eingesetzt wird;
Fig. 2 zeigt ein kapazitives Messgerät mit einer horizontal in einen mit zwei Füllgütern befüiiten Behälter eingeführten Sonde, wie es zur Überwachung der Lage der Trennschicht eingesetzt wird;
Fig. 3 bis 7 zeigen eine schematische Übersicht über alle möglichen Fälle von Ausbildungen von elektrische Feldlinien eines zwischen
Sonde und Gegenelektrode anliegenden elektrischen Feldes für eine Sonde ohne inaktiven Sondenabschnitt;
Fig. 8 bis 18 zeigen eine schematische Übersicht über alle möglichen Fälle von Ausbildungen von elektrische Feldlinien eines zwischen
Sonde und Gegenelektrode anliegenden elektrischen Feldes für eine Sonde mit inaktiven Sondenabschnitt;
Fig. 19 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein kapazitives Messgerät, bei dem eine durch eine Isolation der Sonde gebildete
Isolationskapazität in Reihe zu einer Mediumskapazität angeordnet ist; und
Fig. 20 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein kapazitives Messgerät, bei dem die Isolationskapazität in Reihe zu einer Parallelschaltung aus Mediumskapazität und Mediumswiderstand angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt einen mit einem Füllgut A befüllten Behälter 1 auf dem ein kapazitives Messgerät 3 montiert ist. Das kapazitive Messgerät 3 weist eine horizontal in einen Behälter 1 eingeführte stabförmige Sonde 5 auf, die mittels einer Befestigungsvorrächtung 7 am Behälter 1 montiert ist. Außerhalb des Behälters 1 ist ein mit der Sonde 5 verbundenes Messgerätgehäuse 9 vorgesehen, in dem sich eine Messgerätelektronik 11 befindet Die Sonde 5 dient als Elektrode, die zusammen mit einer durch die Wand des Behälters 1 gebildeten Gegenelektrode 13 einen Kondensator bildet. Die Messgerätelektronik 11 dient dazu, im Messbetrieb eine von einem momentanen Befüllzustand des Behälters 1 abhängige Kapazität C dieses Kondensators zu messen, und anhand der gemessenen Kapazität ein Messsigna! abzuleiten und anzuzeigen oder auszugeben, dass die gewünschte Messgröße wiedergibt.
Kapazitive Messgeräte 3 messen die fülistands-abhängige Kapazität in der Rege!, indem ein elektrisches Ansteuersignal in Form einer elektrischen Wechselspannung mit einer vorgebbaren Frequenz f an den Kondensator angelegt wird und ein zugehöriges kapazitätsabhängiges Antwortsigna!, in der Rege! ein Stromsignal, das z.B. über einen Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt wird, aufgenommen und ausgewertet wird. Dafür wird in der Regel ein Berechnungsalgorithmus verwendet, der die Admittanz des Antwortsignals, dessen Betrag und die Phase zwischen Ansteuersignal und Antwortsignal auswertet und hieraus die Kapazität C bestimmt. Entsprechende Kapazitätsmessverfahren sind beispielsweise in der DE 10 2004 047 413 A1 oder der DE 101 61 069 A1 beschrieben.
Je nach Ausgestaltung und Anwendung kann die Sonde 5 im Bereich der Einführung der Sonde 5 in den Behälter 1 , wie in Fig. 1 dargestellt, einen inaktiven Sondenabschnitt 15 der Länge LI aufweisen. In diesem inaktiven
Abschnitt 15 ist die Sonde 5 vollständig nach außen hin abgeschirmt, so dass ausschließlich ein daran anschließender aktiver Sondenabschnitt 17 der Länge LA als Elektrode für den durch die Sonde 5 und den Behälter 1 gebildeten Kondensator wirkt. Hierdurch wird z.B. erreicht, dass das Messgerät unempfindlich gegenüber Verschmutzungen oder Ablagerungen wird, die sich in dem in der Regel engen Einführungsbereich der Sonde 5 in den Behälter 1 ablagern können.
Des Weiteren kann die Sonde 5 je nach Anwendung und Ausgestaltung von einer Isolation 19 umgeben sein. In dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist der gesamte aktive Sondenabschnitt 17 vollständig von der Isolation 19 umgeben. Vollständig isolierte Sonden 5 werden insb. für Messungen in leitenden und/oder verschmutzenden Medien eingesetzt, um einen kapazitiven Kurzschluss zu vermeiden.
Die in Fig. 1 dargestellte Messanordnung mit dem kapazitiven Messgerät 3 mit horizontal eingebauter Sonde 5 wird beispielsweise zur Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eingesetzt. Hierzu wird die Sonde 5 auf einer Höhe H in den Behälter 1 eingeführt, die dem vorbestimmten zu überwachenden Füllstand entspricht. Im Messbetrieb wird die Kapazität des durch die Sonde 5 und den als Gegenelektrode 13 dienenden Behäiter 1 gebildeten Kondensators gemessen und durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit einem vorab zu bestimmenden Grenzwert festgestellt, ob der Füllstand ober- oder unterhalb des vorgegebenen Füllstands liegt.
Kapazitive Messgeräte mit horizontal eingebauten Sonden 5 sind jedoch nicht nur zu Grenzstandsüberwachung sondern auch zur Überwachung der Lage einer zwischen zwei im Behälter 1 befindlichen Füllgütern A, B ausgebildeten Trennschicht T einsetzbar. In dem Fall wird die Sonde 5 auf einer Höhe H eingeführt, die der zu überwachenden Lage der Trennschicht T entspricht. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 2 dargestellt. Auch hier wird im Messbetrieb die Kapazität des durch die Sonde 5 und den a!s Gegenelektrode 13 dienenden Behälter 1 gemessen und durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit einem vorab zu bestimmenden Grenzwert festgestellt, ob sich die Trennschicht T ober- oder unterhalb der zu überwachenden Lage befindet.
Aus den bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Gründen ist es erforderlich Referenzwerte R für die im Messbetrieb zu erwartenden Messwerte der Kapazität C zu ermitteln. Bei der in Fig. 1 dargestellten Überwachung eines vorbestimmten Füllstands sind dies ein Referenzwert RE, der den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C wiedergibt, und ein Referenzwert RF1 der den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C wiedergibt.
Bei der Überwachung der Lage der Trennschicht T werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Referenzwert RFa für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C und ein Referenzwert RFb für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut B bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der Kapazität C bestimmt. Vorzugsweise wird zusätzlich ein Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C bestimmt. Zur Bestimmung der Referenzwerte R wird erfindungsgemäß derart vorgegangen, dass näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien F eines elektrischen Feldes bestimmt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 aufgrund einer zwischen Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 anliegenden Spannung ausbilden würde. Dabei wird die physikalische Tatsache genutzt, dass die Feldlinien F entlang der Sonde 5 jeweils entlang der kürzesten Verbindungslinie zwischen Sonde 5 und Gegeneiektrode 13 verlaufen und senkrecht auf der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 auftreffen. Die Feldlinien F werden vorzugsweise durch Geraden und Kreissegmente, insb. durch Halbkreise und Viertelkreise, angenähert.
Der Verlauf und die Länge der Feldlinien F wird dabei maßgeblich durch die Geometrie des Behälters 1 , die Länge LI des gegebenenfalls vorgesehenen inaktiven Sondenabschnitts 15 der Sonde 5, die Länge LA des aktiven
Sondenabschnitts 17 der Sonde 5, die Länge L der Sonde 5 insgesamt, und die Einbauhöhe H der Sonde 5 bestimmt.
Für eine in einen zylindrischen Behälter 1 mit dem Radius RB horizontal eingebaute Sonde 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 können sich in
Abhängigkeit von der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5, und dem Behälterradius RB entlang der Sonde 5 drei verschiedene Feldlinientypen ausbilden.
Der erste Feldiinientyp wird durch Feldlinien Fi gebildet, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu der Behälterwand 21 verlaufen, in die die Sonde 5 eingeführt ist. Die Länge LFi dieser Feldlinien Fi entspricht der Länge eines Viertel kreises mit einem Radius r, der gleich dem Abstand r zwischen der Behälterwand 21 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fi ausgeht, d.h. LFi = π/2 r.
Der zweite Feldlinientyp wird durch Feldlinien Fj gebildet, die geradlinig von der Sonde 5 zum Behälterboden 23 verlaufen. Die Länge LFj dieser Feldlinien Fj entspricht der Einbauhöhe H der Sonde 5, d.h. LFj = H.
Der dritte Feldlinientyp wird durch Feldlinien Fk gebildet, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 verlaufen. Die Länge LFk dieser Feldlinien Fk entspricht der Länge eines Viertelkreises mit einem Radius rk, der gleich dem Abstand zwischen der Behälterwand 25 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fk ausgeht, d.h. LFi = ττ/2 rk. Für diesen Radius rk gilt: rk := 2 RB - r wobei RB der Radius des Behälters 1 und r der Abstand zwischen der die
Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fk ausgeht
Der Verlauf der Feldlinien F ergibt sich nun zwangsläufig dadurch, dass sich entlang der Sonde 5 in jedem Bereich der Sonde 5 jeweils derjenige Feldlinientyp ausbildet, der die geringste Länge LFi, LFj1 LFk aufweist.
Hierdurch ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5, und dem Behälterradius RB die in den Figuren 3 bis 7 schematisch dargestellten Fälle.
In dem in Fig. 3 dargestellten Fall bilden sich ausschließlich Feldlinien Fi des ersten Feldlinientyps aus, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu dem durch den viertelkreisförmigen Feldlinienverlauf zugeordneten Bereich Wi der Behälterwand 21 , durch die die Sonde 5 eingeführt ist, verlaufen.
In dem in Fig. 4 dargestellten Fall bilden sich sowohl Feldlinien Fi des ersten Feidlinientyps als auch die Feldlinien Fk des dritten Feldlinientyps aus,
In dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Fällen bilden sich sowohl Feldlinien Fi des ersten Feldlinientyps als auch die Feldlinien Fj des zweiten Feldlinientyps aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Sonde 5 in dem in Fig. 6 dargestellten Fall über die Behältermitte hinaus ragt. Sie ist jedoch in beiden Fällen nicht lang genug, als dass sich auch Feldlinien zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 ausbilden. Dieser Fall ist in Fig. 7 dargestellt. Dort treten alle drei Feldlinientypen auf.
In den in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen wurde von einer Sonde 5 ohne inaktive Sondenabschnitt 15 ausgegangen. In vielen
Anwendungen ist jedoch sinnvoll, im Bereich der Einführung der Sonde 5 in den Behälter 1 einen inaktiven Sondenabschnitt 15 der Länge LI vorzusehen. In diesem inaktiven Abschnitt 15 ist die Sonde 5 vollständig abgeschirmt, so dass der inaktive Abschnitt 15 nicht Teil des durch die Sonde 5 gebildeten Kondensators ist. In dem Fall gehen lediglich von dem an den inaktiven Sondenabschnitt 15 anschließende aktiven Sondenabschnitt 17 der Sonde 5 Feldlinien F aus. Bei der Ermittlung des Feldlinienverlaufs wird der inaktive Sondenabschnitt 15 als Teil der Gegenelektrode 13 betrachtet.
Dabei können in Abhängigkeit von der Länge LI des inaktiven Sondenabschnitts 15, der Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, der Länge L der Sonde, der Einbauhöhe H der Sonde 5 und dem Behälterradius RB1 die nachfolgend beschriebenen vier Feidiinientypen ausbilden.
Der erste Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fl, die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu dem als Teil der Gegenelektrode 13 wirkenden inaktiven Sondenabschnitt 15 verlaufen. Diese Feldlinien Fl werden durch einen Halbkreis angenähert. Die Länge LFI dieser Feldiinien Fl entspricht der Länge eines Halbkreises mit einem Radius r', der gleich dem Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fl ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15 ist, d.h. LFI - π r'.
Der zweite Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fm die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu der die Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 verlaufen. Diese Feldlinien Fm werden durch einen Viertelkreis und eine daran anschließende Gerade angenähert. Der Radius r' des Viertelkreises entspricht dabei dem Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fm ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15. Die Länge der Gerade ist gleich der Länge LI des inaktiven Sondenelements 17. Die Länge LFI dieser Feldlinien Fl beträgt: FLI = π/2 r' + LI.
Der dritte Feldlinientyp umfasst Feidlinien Fn die von dem aktiven
Sondenabschnitt 17 zum Behälterboden 23 verlaufen. Diese Feldlinien Fn werden durch Geraden angenähert, deren Länge LFn gleich der Einbauhöhe H ist. Die Länge LFn dieser Feldlinien Fn ist damit gleich der Einbauhöhe H: LFn = H.
Der vierte Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fo die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 verlaufen. Diese Feidünien Fo werden durch einen Viertelkreis angenähert, dessen Radius r" gleich dem mittleren Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die FeIdISnSe Fo ausgeht zu der der Einführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 ist. Für diesen Radius r" gilt:
r's = 2RB - (LI + r')
wobei
RB der Radius des Behälters, LI die Länge des inaktiven Sondenabschnitts und r' der Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fo ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15 ist.
Entsprechend ergibt sich für die Feldlinien Fo des vierten Feldiinientyps eine Feldlinienlänge LFo von LFo = ττ/2 r", bzw. LFo= ττ/2 (2RB - (LI +r')).
Der Verlauf der Feldlinien F ergibt sich auch hier zwangsläufig dadurch, dass sich entlang der Sonde 5 in jedem Bereich der Sonde 5 jeweils derjenige Feldlinientyp ausbildet, der die geringste Länge LFI, LFm1 LFn, LFo aufweist.
Damit ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge LI des inaktiven Sondenabschnitts 15, der Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5 und dem Behälterradius RB die in den Figuren 8 bis 18 schematisch dargestellten Fälle.
In dem in Fig. 8 dargestellten Fall bilden sich entlang des gesamten aktiven Sondenabschnitts 17 ausschließlich Feldlinien Fl vom ersten Feidlinientyp aus.
In dem in Fig. 9 dargestellten Fall entstehen zwei Bereiche. Ein erster an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzender Bereich des aktiven
Sondenabschnitts 17 in dem sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp ausbilden und ein zweiter an den ersten Bereich anschließenden Bereich in dem sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldlinientyp ausbilden.
In dem in Fig. 10 dargestellten Fall bilden sich entlang des gesamten aktiven Sondenabschnitts 17 ausschließlich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus. In dem in Fig. 11 dargestellten Fail bilden sich zwei Bereiche. Ein erster an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzender Bereich des aktiven Sondenabschnitts 17 in dem sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp ausbilden und ein zweiter an den ersten Bereich anschließenden Bereich in dem sich Feldlinien Fo vom vierten Feldlinientyp ausbilden.
In dem in Fig. 12 dargestellten Fall bilden sich drei aneinander anschließende Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem mittleren Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldiinientyp und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldiinien Fo vom vierten Feldlinientyp aus.
In den in den Figuren 13 bis 18 dargestellten Fällen ist die Einbauhöhe H so gering, dass auch zwischen dem aktiven Sondenabschnitt 17 und dem
Behälterboden 23 verlaufende Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp auftreten.
In den in Figuren 13 und 14 dargestellten Fällen bilden sich jeweils drei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem mittleren Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldlinientyp aus und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Sonde 5 indem in Fig. 14 dargestellten Fall über die Behältermitte hinausragt.
In dem in Fig. 15 dargestellten Bereich bilden sich vier Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem daran anschließenden zweiten Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldiinientyp, in dem dritten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldiinientyp aus, und in dem vierten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fo vom vierten Feldiinientyp aus.
In den in Figuren 16 und 17 dargestellten Fällen bilden sich jeweils zwei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldiinientyp aus und in dem zweiten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feidlinientyp aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass Sonde 5 indem in Fig. 17 dargestellten Fall über die Behältermitte hinausragt.
In dem in Fig. 18 dargestellten Fall bilden sich drei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem daran anschließenden zweiten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp aus, und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fo vom vierten Feldlinientyp aus.
In einem nächsten Schritt wird die Sonde 5 in N zylindrische Segmente Sx mit x= 1 , ,.., N der Länge Lsx unterteilt. Bei Sonden 5, die einen inaktiven Sondenabschnitt 15 aufweisen, genügt es, den aktiven Sondenabschnitt 17 in Segmente 81 , S2, ... SN zu unterteilen, da der inaktive Sondenabschnitt 15 nicht als Elektrode dient. Bei Sonden 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 wird die gesamte Sonde 5 in Segmente S1 , S2 SN unterteilt. Die Einteilung erfolgt vorzugsweise anhand der Bereiche, die sich durch die unterschiedlichen sich ausbildenden Feldlinientypen ergeben. Anhand des zuvor bestimmten Verlaufs der Feldlinien F ist jedem Segment Sx der Sonde 5 ein Bereich Wx der Gegenelektrode 13 zugeordnet, zu dem die von dem Segment Sx ausgehenden Feldlinien Fx führen.
In einem nächsten Schritt wird eine mittlere Feldlinienlänge LFx bestimmt, die die von dem jeweiligen Segment Sx ausgehenden zwischen dem jeweiligen Segment Sx und dem diesem durch den Feldlinienverlauf zugeordneten Bereich Wx der Gegenelektrode 13 verlaufenden Feldlinien Fx aufweisen. Zur Bestimmung der mittleren Feldlinienlänge LFx werden die oben angeführten Berechnungsvorschriften für die Feldlinienlänge der einzelnen Feldlinientypen herangezogen, wobei für den ersten und den dritten Feldlinientyp für Sonden 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 für den Radius r der mittlere Abstand des Segments Sx von der die Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 und bei dem ersten, zweiten und vierten Feldlinientypen für Sonden 5 mit inaktivem Sondenabschnitt 15 für den Radius r' der mittlere Abstand des Segments Sx von dem inaktiven Sondenabschnitt 15 eingesetzt wird. Nachdem für jedes Segment Sx die zugehörige mittlere Feidlinienlänge LFx bestimmt wurde, wird für jedes Segment Sx der Beitrag dieses Segments Sx zum jeweiligen gesuchten Referenzwert R näherungsweise unter der Annahme bestimmt, dass das jeweilige Segment Sx zusammen mit dem diesem zugeordneten Bereich Wx der Gegenelektrode 13 einen Zylinderkondensator bildet, dessen innere Elektrode durch das Segment Sx und dessen äußere Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge LFx entsprechenden Abstand umgebende holzylindrische Elektrode gebildet ist. Dabei wird angenommen, das die Zylinderkondensatoren jeweils vollständig mit einem Medium gefüllt sind. Bei der Bestimmung des
Referenzwertes RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium Luft. Bei der Bestimmung des Referenzwertes RF bzw. RFa für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium das entsprechende Füllgut A. Bei der Bestimmung des
Referenzwertes RFb für den bei vollständig mit dem Füllgut B bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium das entsprechende FüÜgut B.
Die Kapazitäten Cx dieser Zylinderkondensatoren bestimmten sich gemäß:
Cx = 2 Cp Z1 LSX
In (2 LFx/d)
wobei: εo die elektrische Feldkonstante, εr die Dielektrizitätskonstante des im Zylinderkondensator befindlichen Mediums (hier Luft, das Füllgut A oder das Füllgut B),
Lsx die Länge des Segments Sx1 LFx die mittlere Feldlinienlänge im Segment Sx, und d der Durchmesser des Sondensegments Sx
bedeuten.
Anhand dieser einzelnen Kapazitäten Cx wird eine nachfolgend als
Mediumskapazität CM bezeichnete Kapazität bestimmt, die gleich der Kapazität einer Schaltung ist, die durch eine Parallelschaltung der einzelnen Zyünderkondensatoren gebildet ist.
Damit gilt für die Mediumskapazität:
CM = ΣN X=1 Cx
Anschließend wird der jeweilige gesuchte Referenzwert R anhand dieser Mediumskapazität CM bestimmt.
Bei Sonden 5, die von einer Isolation 19 umgeben sind, wirkt die Isolation 19 wie eine zusätzliche nachfolgend als Isolationskapazität Ci bezeichnete Kapazität, die zu der Mediumskapazität CM in Serie geschaltet ist. Dies ist in dem in Fig. 19 dargestellten Ersatzschaltbild dargestellt. In diesem Fall liefert die Isolation 19 einen Beitrag zu der von dem kapazitiven Messgerät gemessenen Kapazität C. Diese zusätzliche Isolationskapazität Ci wird daher bei der Bestimmung der Referenzwerte R vorzugsweise derart berücksichtigt, das der Referenzwert R anhand der Kapazität CMi einer Schaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu der Mediumskapazität CM geschaltet ist.
Hierzu werden die Beiträge der von der Isolation 19 umgebenen Segmente Sx der Sonde 5 zur Isolationskapazität Ci anhand von Zylinderkondensatoren bestimmt, deren innere Elektrode einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments Sx ohne Isolation 19 ist, deren hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation 19 ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation 19 gefüllt ist.
Die Kapazitäten Cix dieser Zylinderkondensatoren bestimmten sich gemäß:
Cix = 2.εo επ Lsx
wobei: εo die elektrische Feld konstante, επ die Dielektrizitätskonstante des im Zylinderkondensator befindlichen Isolationsmaterial, Lsx die Länge des Segments Sx,
Di der Durchmesser des Soπdeπsegments Sx mit Isolation, und ds der Durchmesser des Sondensegments Sx ohne Isolation 19 bedeuten.
Anhand dieser einzelnen Kapazitäten Cix wird die isolationskapazität Ci bestimmt, die gleich der Kapazität einer Schaltung ist, die durch eine Parallelschaltung der einzelnen Zylinderkondensatoren bebildet ist.
Damit gilt für die Isolationskapazität:
Figure imgf000023_0001
Nun wird der Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Wert der gemessenen Kapazität C bestimmt.
Dieser wird bei Sonden 5 ohne Isolation 19 gleich der entsprechenden Mediumskapazität CM gesetzt. Hier gilt:
RE = CM
Bei Sonden 5 mit Isolation 19 wird er gleich der Kapazität einer Serienschaltung von Isolationskapazität Ci und Mediumskapazität CM gesetzt. Hier gilt entsprechend:
1 RE =
1/ Ci + 1 /CM
Bei der Bestimmung des Referenzwertes RF für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C werden zwischen leitfähigen und nicht leitfähigen Füllgütern A unterschieden. Streng genommen sind alle Füllgüter A, die eine von null verschiedenen Leitfähigkeit aufweisen als leitfähig anzusehen. Alternativ kann hier zur Reduzierung des Rechenaufwandes aber auch ein Schwellwert für die Leitfähigkeit eingeführt werden. Dabei werden dann nur diejenigen Füllgüter A als leitfähige Füllgüter A klassifiziert, deren Leitfähigkeit den Schwellwert übersteigt. Der Schwellwert wird dabei derart gewählt, dass der Effekt der durch die Leitfähigkeit gegebenen ohmschen Verbindung zwischen Sonde 5 und Gegenelektrode 13 auf die zu messende Kapazität C bzw. den Referenzwert RFa im Vergleich zu dem Effekt der Mediumskapazität CM auf diese Größe vernachlässigbar ist.
Der Referenzwert RF für nicht leitfähige Füllgüter A wird analog zu dem Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Wert der Kapazität C bestimmt, indem bei der Bestimmung der Mediumskapazität CM anstelle der Dielektrizitätskonstante von Luft die Dielektrizitätskonstante des Füllguts A eingesetzt wird.
Entsprechend gilt hier für Sonden 5 ohne Isolation 19:
RF = CM
und für Sonden 5 mit Isolation 19 gilt:
1
RF =
1/ Ci + 1/CM
Bei leitfähigen Füllgütern A bildet die Sonde 5 zusammen mit der Gegenelektrode 13 keinen reinen Kondensator. Hier entsteht aufgrund der Leitfähigkeit σ des Füllguts A zusätzlich eine ohmsche Verbindung zwischen der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13, die näherungsweise durch einen parallel zur Mediumskapazität CM geschalteten Mediumswiderstand RM wiedergegeben werden kann, wie er in dem in Fig. 20 dargestellten Ersatzschaltbild eingezeichnet ist. Da in Verbindung mit leitfähigen Füllgütern A regelmäßig Sonden 5 mit Isolation 19 verwendet werden, ist in dem Ersatzschaltbild zusätzlich die isolationskapazität Ci eingezeichnet, die in Serie zu der Parallelschaltung von Mediumskapazität CM und Mediumswiderstand RM angeordnet äst.
in diesem Fail liefert also sowohl die isolationskapazität Ci als auch der Mediumswiderstand RM einen Beitrag zu der von dem kapazitiven Messgerät gemessenen Kapazität C. Der Mediumswiclerstand RM und die Isolationskapazität Ci werden daher bei der Bestimmung des Referenzwerts RF vorzugsweise derart berücksichtigt, das der Referenzwert RF anhand der Kapazität CRMi einer Schaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu einer Parallelschaltung von Mediumskapazität CM und Mediumswiderstand RM geschaltet ist.
Für die Bestimmung des Mediumswiderstandes RM wird erneut auf die Einteilung der Sonde 5 in Segmente S1 , S2, ..., SN und die den jeweiligen Segmenten Sx zur Bestimmung der Mediumskapazität CM zugeordneten Zylinderkondensatoren zurückgegriffen. Zur Bestimmung des Mediumswiderstandes RM wird davon ausgegangen, dass jeder der Zylinderkondensatoren mit dem ieitfähigen Füllgut A gefüllt ist.
Anhand der Leitfähigkeit σ des Füllguts A wird für jedes Segment Sx ein ohmscher Widerstand Rx bestimmt, der gleich dem Widerstand ist, den eine den zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut A bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektrode des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet. Für diesen Widerstand Rx gilt:
In (2 LFx/d) Rx =
2 σ Lsx
wobei σ die Leitfähigkeit des Füllguts, Lsx die Länge des Segments Sx1
LFx die mittlere Feldlinienlänge im Segment Sx1 und d der Durchmesser des Sondensegments Sx bedeuten.
Diese einzelnen Widerstände Rx sind entlang der Sonde 5 parallel zueinander angeordnet. Dementsprechend ist der Mediumswiderstand RM gleich dem Widerstand, den eine Parallelschaltung aller dieser Widerstand Rx aufweist. Entsprechend gilt:
1
RM =
Figure imgf000026_0001
Abschließend wird der Referenzwert RF anhand der Kapazität der in Fig. 20 dargestellten Hilfsschaltung bestimmt, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu der Parallelschaltung aus Mediumswiderstand RM und Mediumskapazität CM geschaltet ist.
Für die Bestimmung des Referenzwertes RF können anhand dieser Hilfsschaltung nun sowoh! der Blindwiderstand B dieser Hüfsschaltung, der Wirkwiderstand W dieser Hilfsschaltung, als auch die durch die Hilfsschaltung bewirkte Phasenverschiebung φ bestimmt werden.
Dabei gilt für den Blindwiderstand:
B = j - ( ω Ci )'1 - (ω CMV1 [ j (1/RM)2 + (ω CM)2 I
Für den Wirkwiderstand gilt:
W = [ 1/RM I i (1/RM)2 + (ω CM)2 [
und für die Phasenverschiebung φ gilt:
φ = arctan (B/W).
wobei ω das 2 π fache der Messfrequenz f ist, d.h. ω = 2 π f
Ohne Berücksichtigung der Phasenverschiebung φ ergibt sich hieraus ein Referenzwert RF für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der Kapazität C von: RF = _1 ω B
Vorzugsweise wird zusätzlich die Phasenverschiebung φ in Form eines Korrekturfaktors f(φ ) berücksichtigt.
RFkorr = RF f(φ)
Der Korrekturfaktor f(φ ) ist eine Funktion der Phasenverschiebung φ, und wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem im Messgerät 3 verwendeten Kapazitätsmessverfahren gewählt.
Bei der Bestimmung der in Verbindung mit der Trennschichtüberwachung relevanten Referenzwerte RE, RFa und RFb wird völlig analog verfahren, wobei bei der Bestimmung der Referenzwerte RFa und RFb jeweils die physikalischen Eigenschaften, insb. die Leitfähigkeit σa bzw. σb, des entsprechenden Füllguts A bzw. B eingesetzt werden.
Ausgangspunkt für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Referenzwerte RE und RF bzw. RE, RFa und RFb ist typischer Weise eine vorgegebenen Messaufgabe. Die Messaufgabe kann z.B. darin bestehen, das Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines Füllguts A zu überwachen, oder darin bestehen, festzustellen, ob die Lage einer zwischen zwei Füllgütern A, B bestehenden Trennschicht T eine vorbestimmte Höhe über- oder unterschreitet. Durch die Messaufgabe sind Randbedingungen, wie z.B. die Form des Behälters 1 , eine durch die Behälterform vorgegebene maximal zulässige Länge L der Sonde 5, die Einbauhöhe H der Sonde 5, und die Dielektrizitätskonstante εr sowie die Leitfähigkeit σ des Füllguts A bzw. der Füllgüter A, B vorgegeben.
Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt anhand des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt, ob die vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann. Hierzu werden die für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb unter den durch die Messaufgabe gegebenen Randbedingungen bestimmt, und anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb überprüft, ob die Messaufgabe von einem entsprechend den Randbedingungen ausgebildeten kapazitiven Messgerät 3 ausgeführt werden kann. Hierzu wird anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb abgeschätzt, ob eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Grenzstandsüberwachung wird hierzu die Differenz der beiden Referenzwerte RE und RF bestimmt. Diese Differenz entspricht der durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg. Übersteigt die Differenz eine vorgegebene Mindestgröße, so kann die Messaufgabe, hier die
Grenzstandsüberwachung, mit einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden. Rein messtechnisch betrachtet genügt eine Differenz von einem pF. Eine Kapazitätsänderung von einem pF ist messtechnisch ohne weiteres erfassbar. In der Praxis wird jedoch für reine Produkt bei Innenanwendungen mit konstanter Temperatur eine Mindestdifferenz von 4 bis 10 pF als
Mindestgröße vorgegeben, um eine allzu große Anfälligkeit der Messung gegenüber Kondensatbildung oder leichter Verschmutzung auszuschließen. Bei Anwendungen im Freien und/oder in Verbindung mit Verschmutzungen der Sonde verursachenden Füllgütern wird ein Grenzwert von 10 bis 20 pF vorgegeben.
Für die Überwachung der Lage einer Trennschicht zwischen zwei Füllgütern A, B wird entsprechend die Differenz zwischen den Referenzwerten RFa und RFb bestimmt. Damit mit dem Messgerät zuverlässig erkannt werden kann, ob die Lage der Trennschicht die durch die Einbauhöhe H vorgegebene Höhe Überoder unterschreitet, muss diese Differenz größer als eine vorgegebene Mindestgröße sein.
Kann die Messaufgabe mit einem kapazitiven Messgerät grundsätzlich ausgeführt werden, wird aus der Vielzahl der möglichen Messgerätvarianten, die unter den durch die vorgegebene Messaufgabe gegebenen Randbedingungen eänsetzbar sind, diejenige ermittelt, die hierfür am besten geeignet ist. Hierzu wird anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa, RFb diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt, bei der eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist. Bei dem genannten Beispiel der in Fig. 1 dargestellten Messaufgabe ist das diejenige Variante, bei der die beiden Referenzwerte RE und RF die größte Differenz aufweisen. Bei der Überwachung der Lage der Trennschicht T ist das diejenige Variante, bei der die Differenz zwischen den Referenzwerten RFa und RFb maximal ist.
Hierzu werden die anwendungs-spezifischen Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante εr und die Leitfähigkeit σ des bzw. der Füllgüter A, B, die Behälterform sowie die die Einbauhöhe H, vorgegeben, und die messgerät- spezifischen Parameter, insb. die Länge L der Sonde 5 bzw. die Länge des inaktiven Sondenabschnitts 15 und die Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, das Material und die Dicke der Isotation 19, als Variablen betrachtet, die in einer mit den anwendungs-spezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung einer für die Messaufgabe optimal geeigneten Messgerätvariante variiert werden. Für jede Messgerätvariante werden jeweils die Referenzwerte RE und RF, bzw. RE, RFa, RFb bestimmt, und diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt, bei der die Differenz der beiden Referenzwerte RE, RF maximal ist bzw. die Differenz der Referenzwerte RFa und RFb maximal ist.
Eine auf diese Weise ausgewählte optimal für die Messaufgabe geeignete Variante des Messgerät 3 kann dann dem Anwender angeboten und von diesem beim Hersteller bezogen werden. Entscheidet sich der Anwender, für die ihm angebotene Variante, so können die für die Messaufgabe relevanten Referenzwerte RE und RF bzw. RE, RFa, RFb auf die erfindungsgemäße Weise vorab bestimmt und bereits vor der Inbetriebnahme, vorzugsweise werkseitig, im Messgerät 3 abgespeichert werden. Dabei werden bei der Bestimmung der Referenzwerte RE und RF, bzw. RE, RFa, RFb vorzugsweise werkseätig bekannte messgerät-speztfische und/oder fertägungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts 3 berücksichtigt.
Bei der Grenzstandsüberwachung wird vorzugsweise anhand der Referenzwerte RE und RF der für das Über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands maßgebliche Grenzwert für den Messwert der zu messenden Kapazität C ermittelt und in dem Messgerät abgespeichert. Der Grenzwert kann beispielsweise anhand des Referenzwertes RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Kapazitätsmesswert bestimmt werden, in dem diesem eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung ΔC, z.B. von 2 pF, hinzu addiert wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RE und RF ist.
Bei der Trennschichtüberwachung wird vorzugsweise anhand der Referenzwerte RE, RFa, RFb der für das Über- bzw. Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht T maßgebliche Grenzwert für den Messwert der zu messenden Kapazität C ermittelt und in dem Messgerät 3 abgespeichert. Der Grenzwert kann beispielsweise ermittelt werden, indem dem betragsmäßig geringen der beiden Referenzwerte RFa, RFb eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung ΔC, z.B. von 2 pF, hinzu addiert wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RFa und RFb ist. Umgekehrt kann er ermittelt werden, indem von dem betragsmäßig größeren der beiden Referenzwerte RFa, RFb eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung ΔC, z.B. von 2 pF, abgezogen wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RFa und RFb ist. Im Behälter 1 schwimmt das Füllgut mit dem geringeren spezifischen Gewicht, hier das Füllgut B, auf dem Füllgut mit dem größeren spezifischen Gewicht, hier dem Füllgut A. Weist das leichtere Füllgut B eine geringere Dielektrizitätskonstante εr und damit auch einen geringeren Referenzwert RFb auf, als das schwerere Füllgut A, so bedeutet ein Überschreiten des Grenzwertes, dass die
Trennschicht T sich oberhalb der durch die Einbauhöhe H vorgegebenen Lage befindet.
Weist das schwerere Füllgut A die geringere Dielektrizitätskonstante εr und damit auch den geringeren Referenzwert RFa auf, so bedeutet ein Überschreiten des Grenzwertes, dass die Trennschicht T sich unterhalb der durch die Einbauhöhe H vorgegebenen Lage befindet.
Das Messgerät 3 ist damit unmittelbar einsetzbar. Ein Abgleich des Geräts, bei dem die Referenzwerte Vorort mühsam insb. durch Referenzmessungen ermittelt werden müssen und die Grenzwerte abgeleitet werden müssen wird hierdurch überflüssig.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren in computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Besteliverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, wie sie bereits in der
Beschreibungseinleitung beschrieben worden sind, verwendet werden. Hierzu werden die einzelnen Verfahrensschritte in Software umgesetzt, die von einem Computer ausgeführt werden, zu dem der Anwender über eine menügesteuerte Benutzeroberfläche unmittelbar oder über das Internet Zugang hat. Entsprechende Systeme auf denen diese Verfahren ausführbar sind, sind in den in der Beschreibungseinieitung zitierten Dokumenten beschrieben und daher hier nicht erneut im Detail beschrieben.
Der Anwender gibt dem System seine Messaufgabe und die zugehörigen Randbedingungen über eine entsprechend ausgebildete Benutzeroberfläche vor. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dann, wie oben beschrieben, die für die Messaufgabe relevanten Referenzwerte R1 z.B. RE und RF oder RE, RFa und RFb, bestimmt. Das System überprüft anhand dieser Referenzwerte R gemäß dem oben beschriebenen Verfahren, ob die Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausführbar ist. Das Ergebnis dieser Überprüfung wird dem Anwender über die Benutzeroberfläche mitgeteilt.
Ist die Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausführbar, so kann der Anwender fortfahren, indem er sieh über das rechnergestützte Auswahl-, Ausiegungs- und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, für die von ihm vorgegebene Messaufgabe anhand der durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen ein für diese Messaufgabe optimal ausgelegtes kapazitives Messgerät aus der Vielzahl der erhältlichen Messgerätvarianten auswählen und anbieten lässt. Dies geschieht gemäß dem oben bereits beschriebenen Verfahren. Auch hierbei werden die einzelnen Verfahrensschritte in Software umgesetzt und von dem Computer bzw. dem System ausgeführt, zu dem der Anwender über die menügesteuerte Benutzeroberfläche unmittelbar oder über das Internet Zugang hat.
Der Anwender hat dann die Möglichkeit, das optimal für seine Anwendung ausgelegte Messgerät über die Benutzeroberfläche zu besteilen. Bestellt der Anwender, so besteht die Möglichkeit, werkseitig vor der Auslieferung des
Messgeräts 3 anhand der bereits vorliegenden Referenzwerte R einen Abgleich des Messgeräts 3 vorzunehmen, bei dem die für die Messaufgabe für die bestellte Variante bereits bestimmten Referenzwerte R, sowie gegebenenfalls daraus abgeleitete Grenzwerte im Messgerät 3 abgespeichert werden. Bei den Grenzwerten handelt es sich hier insb. um die zuvor beschriebenen
Grenzwerte, bei denen der Füllstand, bzw. die Lage der Trennschicht die durch die Einbauhöhe H vorgegebene vorbestimmte Höhe über- bzw. unterschreitet. Das Messgerät ist dann nach dessen Auslieferung sofort einsetzbar. Ein Abgleich Vorort ist nicht mehr erforderlich.
Der gesamte Vorgang der Überprüfung ob ein kapazitives Messgerät für die Messaufgabe geeignet ist, der Auswahl der am besten geeigneten Messgerätvariante, sowie die Bestimmung der Referenzwerte für den Messgerätabgleich erfolgt anhand des erfindungsgemäßen Verfahren vollautomatisch und zuverlässig, ohne dass Anwender ein über seine ihm ohnehin bekannte Anwendung hinaus gehendes Fachwissen einbringen muss.
Figure imgf000033_0001

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten (R) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3), - das eine im Messbetrieb horizontal in einen mit mindestens einem
Füllgut (A, B) befüllbaren Behälter (1 ) eingeführte a!s Elektrode dienende Sonde (5) aufweist, die zusammen dem als Gegenelektrode (13) dienenden Behälter (1 ) einen Kondensator bildet, dessen Kapazität im Messbetrieb von dem Messgerät (3) zu messen ist, - die das kapazitive Messgerät (3) bei leerem Behälter (1 ) oder bei vollständig mit einem einzigen Füllgut (A, B) bedeckter Sonde (5) messen würde, bei dem
- näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien (F) eines elektrischen Feldes ermittelt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde (5) und der Gegenelektrode (13) aufgrund einer zwischen Sonde (5) und
Gegenelektrode (13) anliegenden Spannung ausbilden würde,
- die Sonde (5) in zylindrische Segmente (S1 , S2, ... SN) unterteilt wird,
- für jedes Segment (Sx) eine mittlere Feldlinienlänge (LFx) bestimmt wird, die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feldlinien (Fx) des elektrischen Feldes aufweisen, und
- der Beitrag dieses Segments (Sx) zum Referenzwert (R) näherungsweise unter der Annahme bestimmt wird, dass das jeweilige Segment (Sx) zusammen mit einem Bereich (Wx) der Gegenelektrode (13) zu dem die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feldlinien (Fx) führen einen Zyiinderkondensator bildet,
-- dessen innere Elektrode durch das Segment (Sx) und dessen äußere
Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge (LFx) entsprechenden Abstand umgebende hohlzylindrische Elektrode gebildet ist, - der bei leerem Behäiter (1 ) leer ist bzw. der bei vollständig mit dem
Füllgut (A1 B) bedeckter Sonde (5) vollständig mit dem Füllgut (A, B) gefüllt ist, und
- der Referenzwert (R) anhand einer Mediumskapazität (CM) bestimmt wird, die der Kapazität einer Parallelschaltung der einzelnen Zylinderkondensatoren entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem
- die Sonde (5) einen in den Behälter (1 ) hinein ragende inaktiven Sondenabschnitt (15) aufweist, und
- der inaktive Sondenabschnitt (1 5) für die Bestimmung des Verlaufs der Feldlinien (F) als Teil der Gegenelektrode (13) betrachtet wird.
5 3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem
- die Sonde (5) von einer Isolation (19) umgeben ist,
- eine Isolationskapazität (Ci) bestimmt wird, und
- der Referenzwert (R) anhand der Kapazität einer Serienschaltung bestimmt wird, in der die isoiationskapazität (Ci) in Serie zu der
I O Mediumskapazität (CM) geschaltet ist, wobei
- die Beiträge der von der Isolation (19) umgebenen Segmente (Sx) der Sonde (5) zur Isolationskapazätät (Ci) anhand von Zyünderkondensatoren bestimmt werden, deren innere Efektrode einen Außendurchmesser (ds) aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments (Sx) ohne
15 Isolation (19) ist, deren äußere hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation (19) ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation (19) gefüllt ist, und
- die Isolationskapazität (Ci) gleich der Kapazität einer Parallelschaltung 0 dieser Zyünderkondensatoren ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, zur Ermittlung des Referenzwertes (RF) für den Messwert der zu messenden Kapazität, die das Messgerät bei vollständig mit einem ieitfähigen Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) mit 5 Isolation (19) messen würde, bei dem
- anhand der Leitfähigkeit (σ) des Füllguts (A) für jedes Segment (Sx) ein ohmscher Widerstand (Rx) bestimmt wird, der gleich dem Widerstand ist, den eine den dem jeweiligen Segment (Sx) zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut (A) 0 bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektroden des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet, und
- ein Mediumswiderstand (RM) bestimmt wird, der gleich dem Widerstand einer Parallelschaltung aller dieser ohmschen Widerstände (Rx) ist,
- und der Referenzwert (RF) anhand der Kapazität einer Hilfsschaltung 5 bestimmt wird, in der die Isolationskapazität (Ci) in Serie zu einer
Parallelschaltung aus Mediumswiderstand (RM) und Mediumskapazität (CM) geschaltet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem
- das Messgerät (3) im Messbetrieb bei einer Messfrequenz (f) betrieben wird, - anhand der Messfrequenz (f) ein Blindwiderstand (B) der Hilfsschaltung bestimmt wird, und der Referenzwert (RF) anhand der Messfrequenz (f) und des Blindwiderstandes (B) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem - ein Wirkwiderstand (W) der Hilfsschaltung bestimmt wird,
- anhand des Blindwiderstandes (B) und des Wirkwiderstandes (W) eine durch die Hilfsschaltung bei der Messfrequenz (f) bewirkte Phasenverschiebung (φ) bestimmt wird, und
- der Referenzwert (RF) anhand der Messfrequenz (f), des Blindwiderstands (B) und der Phasenverschiebung (φ) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
- eine Messaufgabe vorgegeben wird,
- für die Messaufgabe relevante Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa, RFb) bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa1 RFb) überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät (3) ausgeführt werden kann, indem anhand der Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa, RFb) abgeschätzt wird, ob eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
8. Verfahren zur Auswahl eines optimal an eine vorgegebene Messaufgabe angepassten Variante des kapazitiven Messgeräts (3) anhand von gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 bestimmten Referenzwerten (R), bei dem
- durch die Messaufgabe vorgegebene anwendungs-spezifische Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante (εr), die Leitfähigkeit (σ) des oder der Füllgüter (A, B), die Behälterform sowie die Einbauhöhe (H), vorgegeben werden, - messgerät-spezifische Parameter, insb. die Länge (L) der Sonde (5), die Länge (LI) des inaktiven Sondenabschnitt (15), die Länge (LA) des aktiven Sondenabschnätts (17) und/oder das Material und die Dicke der Isolation (19), als Variablen betrachtet werden, die in einer mit den anwendung-spezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung einer für die Messaufgabe optimal geeigneten Variante des Messgeräts (3) variiert werden, - für jede Variante jeweils die für die Messaufgabe relevanten
Referenzwerte (R) bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte (R) diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt wird, bei der eine durch die Messgröße verursachte Änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , zur Bestimmung von Referenzwerten
(RE, RF) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3) mit horizontal in den Behälter (1 ) eingebauter Sonde (5), das zur Überwachung eines Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines einzigen Füllguts (A) im Behälter (1 ) dient, bei dem
- ein Referenzwert (RE) für den bei leerem Behälter zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität und ein Referenzwert (RF) für den bei vollständig mit dem Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte (RE, RF) ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät (3) ein Überschreiten des vorgegebenen Füllstandes anzeigen soll,
- der Grenzwert im Messgerät (3) abgespeichert wird, und - das Messgerät (3) im Messbetrieb ein Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , zur Bestimmung von Referenzwerten (RE, RFa, RFb) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3) mit horizontal in den Behälter (1 ) eingebauter Sonde (5), das zur Überwachung einer Lage einer zwischen zwei im Behälter (1 ) befindlichen Füllgütern (A, B) ausgebildeten Trennschicht (T) dient, bei dem
- ein Referenzwert (RFa) für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- ein Referenzwert (RFb) für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut (B) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird, - anhand der ermittelten Referenzwerte (RFa, RFb) ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät (3) anzeigen soll, dass sich die Trennschicht (T) ober- bzw. unterhalb der durch die Einbauhöhe (H) der Sonde (5) vorgegebenen Lage befindet, - der Grenzwert im Messgerät (3) abgespeichert wird, und
- das Messgerät (3) im Messbetrieb ein Über- oder Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht (T) durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem bei der Bestimmung der
Referenzwerte (R) werkseitig bekannte messgerät-spezifische und/oder fertigungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts (3) berücksichtigt werden.
12. Verfahren zur Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 7 in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerten (R) überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät (3) ausführbar ist.
13. Verfahren zur Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 8, in einem rechnergestützten Auswahl-, Auslegungs- und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt,
- anhand von durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen eine für diese Messaufgabe optimal geeignete Variante des kapazitives Messgeräts (3) ausgewählt und dem Anwender angeboten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem
- der Anwender das angebotene Messgerät (3) bestellt, und
- werkseitig vor der Auslieferung des Messgeräts die für die Messaufgabe für die bestellte Variante abgeleiteten Referenzwerte (R) und/oder daraus abgeleitete Grenzwerte in dem Messgerät (3) abgespeichert werden.
PCT/EP2009/054767 2008-05-06 2009-04-22 Verfahren zur ermittlung von referenzwerten für messwerte einer mit einem kapazitiven messgerät zu messende kapazität WO2009135757A1 (de)

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