DE2151078C2 - Kapazitives Fullstandsmeßgerat - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Körpers verlaufen.

Füllstandsmeßgerät mit einem in das Füllgut ein- All diese bekannten Meßkondensatoren setzen

tauchenden Meßkondensator mit wenigstens einer voraus, daß sie allseitig von dem Füllgut umgeben

ersten Mcßclektiode und wenigstens einer zweiten 55 im Inneren des Behälters so angeordnet sind, daß

Meßelektrode, die im Absland voneinander und die Messung von der Behälterwand praktisch nicht

parallel zueinander an einem mit dem Füllgut in beeinflußt werden kann.

Berührung stehenden Dielektrikum angeordnet sind, Fs gibt jedoch Anwendungsfälle in der Praxis, einer Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen wo die Meßsonden nicht so eingebaut werden kön-Fcldes zwischen der ersten Meßelektrode und der 60 neu, daß sie ohne Feldverzerrung allseitig von dem zweiten Meßclektrodc und mit einer Meßanordnung Füllgut umgeben sind. Wenn die Meßkondensatoren zur Messung der durch Änderungen des Füllstandes beispielsweise an einer Wand eines Behälters angebewirkten Änderungen der Meßkapazität zwischen bracht sein müssen, kommt es zu Feldverzerrungen, der ersten Mcßelektrode und der zweiten Meßelek- und ein großer Teil der Feldlinien verläuft durch die trodc des Meßkondensators. 65 Behälterwand anstatt durch das Füllgut. In solchen Derartige kapazitive Füllstandsmeßgeräte eignen Fällen kommt es zu einem unlinearen Zusammensich für Füllgüter, deren Dielektrizitätskonstante von hang zwischen Füllstand und Kapazität, und man derjenigen der Luft merklich verschieden ist. Das erhält außerdem eine im Vergleich zu der sich

ergebenden Kapazitätsänderung große Anfangskapnzität, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Ein solcher Anwendungsfall besteht beispielsweise dann, wenn die Meßkapazität zur Messung des Pegelstandes in einem offenen Gerinne verwendet wird. Bekanntlich besteht für oflene Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Durchflußmenge u-.id dem Pegelstand, so daß os möglich ist, die Durchrlußmenge kapazitiv auf dem Umweg über die Messung des Pegelstandes zu messen. In diesem Fall ist im allgemeinen die Verwendung von frei in das Innere der Rinne ragenden Sonden nicht erwünscht, weil der Einbau schwierig ist und der Durchflußquerschnitt gestöi; wird. Es wird daher vorgezogen, die kapazitive Meßsonde bündig mit der Wandung des Gerinnes einzubauen, was zu den zuvor angegebenen Erscheinungen führt.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kapazitiven Füllstandsmeßgeiätcs der eingangs angegebenen Art, dessen Meßsonde auch bei Einbau in die Wand des Behälters einen linearen Zusammenhang /wischen Füllstand und Kapazität gewährleistet und die theoretisch größte Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert ergibt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei Anordnung des Meßkondensators an einer einseitig mit dem Füllgut in Berührung stehenden dielektrischen Wand auf der dem Füllgut abgewandten Seite der ersten Meßelektrode eine Abschirmelektrod" angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt die Wirkiir.g, daß das elektrische Feld zwischen den Meßelektroden ausschließlich durch das Innere des Behälters bzw das darin befindliche Füllgut geht; dagegen verläuft der durch die Wand des Behälters gehende Teil des Feldes nicht zwischen den beiden Meßelektrodcn. sondern zwischen der Abschirmelektrode und der zweiten Meßelektrode. Durch Messung der Kapazitätsänderungen ausschließlich zwischen den beiden Meßelektrodcn ist es daher möglich, den vom Füllgut nicht beeinflußten und gegebenenfalls durch äuCere Einflüsse verzerrten Teil des Feldes von der Messung auszuschließen. Die gemessene Anfangskapazität entspricht daher ausschließlich dem vorn Füllgut beeinflußten nutzna.en Teil des elektrischen Feidcs, und die Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von Änderungen des Füllstandes entspiicht dem theoretisch erreichbaren Höchstwert.

Die Bestimmung der Kapa/ilätsänderungeii durch Messung eines kapazitiven Wechselstroms erfolgt nach einer bevorzugten Ausfiihruugsfonn der Erfindung dadurch, daß die erste Meßelektrode und die Abschirmclektrode mit der ersten Klemme einer Wechselstromquelle verbunden sind, daß die zweite Meßelektrode mit der zweiten Klemmt; der Wechbclspannungsquelle verbunden ist und daß ein Wechselstrommeßgerät in die Verbindung zwischen die erste Klemme der Wechselspannungsquelle und die erste Meßelektrode eingefügt ist.

Ein vveitwcr Vorteil des erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerär? besteht darin, daß durch Vergrößerung der Anzahl der Meßelektroden das Auflösungsvermögen des Meßkonde.nsators wesentlich vergrößert werden kann. Dies geschieht gemäß einer Weiterbildung des Erfindiingsgegenstands dadurch, daß mehrere erste Meßelektroden und mehrere zweite Meßelektroden jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind, daß die ersten Meßelektroden einerseits und die zweiten Meßelektroden andererseits elektrisch miteinander verbunden sind und daß jeder ersten Meßelektrode eine Abschirmelektrode zugeordnet ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung büspielshalber beschrieben. Es zeigt

ίο Fig. 1 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Kapazit: wanderung bzw. der Meßstromänderung und der Füllstandsänderung bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät, Fig. 2 die Anordnung der Elektroden einer MeIA-sonde für die Messung des Pegelstands in einem offenen Gerinne,

Fig. 3 einen Schnitt durch den die Elektroden enthaltenden Teil der Wandung der Gerinne mit Darstellung der elektrischen Feldlinien bei fehlender Abschirmelektrode und

Fig. 4 eine entsprechende Schnittansicht mit Darstellung der elektrischen Feldlinien der erfindungsgemäßen Ausbildung des Füllstandsmeßgerutv F i g. 1 zeiet ein Diagramm der Änderung der Kapazität C bzw. des Meßstroms / bei einem kapazitiven Füllstandsmeßgerät in Abhängigkeit von dem Füllstand, der auf der Abszisse in Prozenten des maximalen Füllstandes aufgetragen ist. Wie zu erkennen ist, nai die Kapazität bei dem Füllstand Null einen von Null verschiedenen Anfangswert C₁,, dessen Größe von der Form und Einbauart des Meßkondensators abhängt. Mit steigendem Füllstand ändert sich die Kapazität im wesentlichen linear, und sie erreicht bei einem Füllstand von 100% einen Endwert C₁ In gleicher Weise ändert sich der Meßstrom / von einem Anfangswert I₁₁ zu einem Endwert /,,.

Die Messung des Füllstandes ist r'Tensichtlich um so genauer, je größer der Kapazitätsänderungsbereich C₁-C,, bzw. der Stromänderungsbereich /,,-/„ bezogen auf den Anfangswert C₁, bzw. /„ ist. Daraus ergibt sich die Forderung, den Meßkondensator so auszubilden, daß sich das elektrische Feld möglichst ausschließlich in dem Raum ausbreitet, in den das Füllgut eintreten kann.

F i g. 2 zeigt als Beispiel für einen Anwendungsi'all, bei dem diese Forderung nur schwierig zu erfüllen ist, die Anordnung des Meßkondensators für die Messung des Pegelstands in einem offenen Gerinne I. Das Gerinne ist durch zwei Seitenwande 2, 3 und einen Boden 4 gebildet und führt ein fließfähiges Medium 5. Da bei einem solchen ollenen Gerinne eine definierte Funktion zwischen momentaner Di""chflußmenge und den Pegclstand besteht, ist es möglich, die Durchllußmenge durch Messung der Füllhöhe zu messen. Um den Durchflußquerschnitt nicht zu stören, zur Vereinfachung der Montage uiij aus anderen Gründen strebt man an, die Elektroden der kapazitiven Meßsonde bündig mit der Wandung des Gerinnes einzubauen. Deshalb sind zwei streifenförmige Elektroden 6, 7 im Abstand nebeneinander in die Seitenwand 2 des Gerinnes 1 eingelassen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den die Elektroden 6, 7 enthaltenden Teil der Seitenwand 2 des Gerinnes mit dem zugehörigen Feldiinienverlauf. Wie zu erkennen ist, verlaufen die elektrischen Feldlinien von der Flektrode 6 zur Elektrode 7 zum Teil durch das Innere der Gerinne und das darin befind-

liehe Füllgut und zum anderen Teil durch die Seitenwand 2. Bei der Messung der Kapazität zwischen den Elektroden 6 und 7 geht daher der in der Wand fließende Verschiebestrom mit in die Messung ein, so daß er zu einer großen Anfangskapazität C₀ bzw. s einem großen Anfangsstrom I₀ beiträgt. Andrerseits wird aber dieser Teil des elektrischen Feldes von den Füllstandsänderungen nicht beeinflußt, so daß insgesamt ein ungünstiges Verhältnis der Kapazitätsänderungen zu der Anfangskapazität erhalten wird.

Dieser Nachteil ist bei der in F i g. 4 dargestellten Ausbildung des Meßkondensators vermieden. Dieser enthält wieder die in die Seitenwand 2 des Gerinnes eingelassenen streifenförmigen Meßelektroden 6 und 7. Zusätzlich ist auf der dem Füllgut abgewandten Seite der Mcßelektrode 6 eine Abschirmelektrode 8 angeordnet, die auf dem gleichen Potential wie die Elektrode 6 liegt, so daß zwischen diesen beiden Elektroden kein elektrisches Feld besteht. Wie zu erkennen ist, verlaufen in diesem Fall die elektrischen ao Feldlinien im Inneren des Gerinnes zwischen den Meßelektroden 6 und 7, während sie in der Wand 2 zwischen der Abschirmclektrode 8 und der Meßclektrode 7 verlaufen. Wenn jetzt di; Kapazität zwischen den Meßelektroden 6 und 7 gemessen wird, trägt nur der im Inneren des Gerinnes liegende und zum Teil durch das Füllgut verlaufende Teil des elektrischen Feldes zur gemessenen Kapazität bei. Da dieser Teil des elektrischen Feldes vollständig von dem Füllstand beeinflußt wird, erhält man den theoretischen Höchstwert der Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von dem Füllstand, bezogen auf den Anfangswert.

Die Kapazitätsmessung erfolgt bei de· η dargestellten Beispiel dadurch, daß die Abschirmelektrode 8 direkt mit der einen Klemme eines Wcchselspannungsgenerators 9 verbunden ist und daß eine Anordnung zur Messung des in der Verbindung zwischen der Meßelektrode 6 und dieser Klemme des Wechselspannungsgenerators 9 fließenden Wechsel Stroms vorgesehen ist. Diese Meßanordnung is symbolisch durch ein Wechselstrommcßgcrät 10 dar gestellt. Die Meßelcktrode7 ist an die andere Klemmt des Wechsclspannungsgencrators 9 angeschlossen.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Anordnung muß dei Wechselspannungsgenerator 9 insgesamt ύζη gleicher Strom liefern wie bei der in F i g. 3 gezeigten Elektrodenanordnung ohne Abschirmclektrode. Durch die Verwendung der Abschirmelektrode wird dicsei Strom in zwei Teile aufgespalten, von denen der eine Teil zur Meßelektrodc 6 fließt und zwischen den Elektroden 6 und 7 ein Feld aufbaut, das sich ausschließlich in das Gerinne hinein ausbreitet, während der andere Teil die Abschirmelektrude 8 so auflädt, daß diese in jedem Zeitpunkt auf dem gleichen Potential wie die Mcßelektrode 6 liegt.

Für die Messung des Füllstandes im Gerinne ist nur der Strom maßgebend, der zu der Meßelektrodc 6 fließt und im Meßgerät 10 gemessen wird. Dagegen trägt der zur Abschirmclektrode 8 fließende Teil des Stroms zu der Messung nicht bei.

Wenn das Gerinne leer ist, ergibt sich ein Anfangsstrom, der der Anfangskapazität zwischen den Meßelektroden 6 und 7 entspricht. Ist das Gerinne vollständig gefüllt, so ist der Strom um den Faktor der relativen Dielektrizitätskonstante größer als der Anfangsstrom. Eine größere Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Füllhöhe, bezogen auf den Anfangswcit, läßt »iui theoretisch nicht erreichen.

Die beschriebene Elektrodenanordnung bietet die Möglichkeit, durch Parallelschalten mehrerer streifenförmigcr Elektroden nach Art der Meßelektroden 6 und 7 das Auflösungsvermögen des Meßkondensators wesentlich zu vergrößern. In diesem Fall wird natürlich jeder Mcßelektrode, die mit der einen Klemme des Wechselspannungsgenerators verbunden ist, eine Abschirmelcktrode nach Art der Abschirmelektrode 8 zugeordnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Füllgut bildet das Dielektrikum für den eingetauchten Patentansprüche: Teil des Meßkondensators, was zur Folge hat, daß sich die Gesamtkapazität des Meßkondensators in

1. Kapazitives Füllstandsmei.igerät mit einem Abhängigkeit von dem Füllstand ändert. Durch eine in das Füllgut eintauchenden Meßkondensator 5 geeignete Sondenform kann erreicht werden, daß mit wenigstens einer ersten Meßelektrode und die elektrische Feldverteilung über die ganze Höhe wenigstens einer /weilen Meßelektrode, die im des Meßkoiulensators gleich bleibt, so daß die Kapa-Abstand voneinander und parallel zueinander an zitätsänderung direkt der Füllstandsänderung proeinem mit dem Füllgut in Berührung stehenden portional ist. Die Messung der Kapazitätsänderung Dielektrikum angeordnet sind, einer Anordnung io erfolgt in den meisten Fällen dadurch, daß an die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen Meßelektroden des Meßkcndensators eine Wechselder ersten Meßelektrode und der zweiten Meß- spannung angelegt und der über den Kondensator elektrode, und mit einer Meßanordnung zur fließende kapazitive Wechselstrom gemessen wird; Messung der durch Änderungen des Füllstandes die Stromänderungen sind dann direkt ein Maß für bewirkten Änderungen der Meßkapazität zwi- 15 cie Änderungen des Füllstandes.

sehen der ersten Meßelektrode und der zweiter. Wenn sich der Füllstand von Null bis zu einem

Meßelektrode des Meßkondensators, dadurch Höchstwert ändert, ändert sich die Kapazität bzw.

gekennzeichnet, daß bei Anordnung des der dazu proportionale Strom von einem Anfangs-

Meßkondensators an einer einseitig mit dem wert bis /u einem Endwert, da der Meßkondensator

Füllgut in rt .riihrung stehenden dielektrischen 20 auch bei dem Füllstand Null eine Anfangskapazität

Wand (2) auf der dem Füllgut abgewandten Seite hat, die von ihrer Form und ihrem Einbau abhängt,

der ersten Meßelektrode (6) eine Abschirmelek- Die Messung ist offensichtlich um so genauer, je

trode (8) angeordnet ist. größer der Änderungsbereich bezogen auf den

2. Füllstandsmeßgeräl nach Anspruch I da- Anfangswert ist. Daraus ergibt sich die Forderung, durch gekennzeichnet, daß die erste Meßelektrode 35 den Meßkondensator so auszubilden, daß sich das (6) und .lic Abschaltelektrode, (8) mit der ersten elektrische Feld möglichst ausschließlich in dem Klemme ^ner Wechselspannungsquelle vcrbuii- Raum ausbreitet, in den das zu messende Füllgut den sind, daß die zweite Meßelektrode (7) mit eintreten kann; in diesem Fall ergibt sich die relativ der /weiten Klemme der Wechselspannungsquelle größte Feldänderung, was die wichtigste Vorausverhundcn ist und daß ein Wechselstrommeß- 30 setzimg für eine genaue Messung ist.

gerät in die Verbindung zwischen die erste Bei einem aus der deutschen Offenlegungsschrift

klemme der Wechseispanni-.igsquelle und die 1 498 404 bekannten Füllstandsmeßgerät der eingangs

erste Meßclektrodc eingefügt ist. angegebenen Art ist das Dielektrikum ein ebener

3. Füllstandsmeßgerät nach A.ispruch 1 oder 2, zylindrischer oder rohrförmiger Körper, der auf einer dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste Meß- 35 Fläche die Meßelektroden in Form von mäanderclcktrocien und mehrere zweite Meßelektroden oder wendelförmigcn leitenden Streifen trägt. Der jeweils paarweise nebeneinander angeordnet sind, so gebildete Kondensator wird derart in das Füllgut daß die ersten Meßclektroden einerseits und die eingetaucht, daß die zwischen -^en Feldlinien verleiten Mcßelektroden andrerseits elektrisch mit- laufenden elektrischen Feldlinien zwar das Füllgut einander verbunden sind und daß jeder ersten 40 auf einer hinreichend langen Strecke durchsetzen, Mcßelektrode eine Abschirmelektrode zugeord daß jedoch das elektrische Feld in Richtung von der net ist. " Sonde weg so stark abfällt, daß es an der Stelle der

4. FüTlstandsmcßgerät nach einem der An- Behälterwand nur noch in einer mit den praktischen sprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß Meßmöglichkeiten nicht mehr feststellbaren Intensität die Elektroden (6, 7) in die Wand (2) eines offe- 45 vorhanden ist. Nach einem ähnlichen Prinzip ist nen Gerinnes (1) eingebaut sind. auch die Sonde bei dem aus der deutschen Auslcgc-

schrift 1 243 890 bekannten Füllstandsmeßgerät aufgebaut; sie besteht aus einem stab- oder seilförmigen

dielektrischen Körper, in und/oder auf dem die

so Elektroden so angebracht sind, daß die Feldlinien

/wischen den Elektroden teilweise außerhalb des