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Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Messung
des Füllstandes eines Behälters mit einer sich im Behälter im wesentlichen senkrecht
erstreckenden Meßsonde und mit Einrichtungen zur Messung der durch das Füllgut an
dieser Sonde bewirkten Kapazitätsänderungen.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art besteht die Meßsonde
im allgemeinen aus zwei koaxialen Rohren, die die beiden Elektroden eines Kondensators
bilden. Das äußere Rohr ist auf der unteren Seite offen, damit das Füllgut zwischen
die beiden Rohre eindringen kann. Dieses Füllgut verändert entsprechend seiner Höhe
im Rohr und seiner Dielektrizitätskonstanten die Kapazität der Sonde.
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Die Kapazität wird mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators gemessen.
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Zur Vereinfachung der Anzeige kann die Kapazität abgeglichen werden,
was meistens in einer Brückenschaltung vorgenommen wird, wobei der Wert der Abgleichgröße
entweder in einer elektrischen Größe oder bei entsprechender Eichung direkt in einer
Längeneinheit abgelesen werden kann.
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Bei den bekannten Meßanordnungen ist das Zuführungskabel zwischen
die Meßsonde und die Abgleichbrücke geschaltet. Dies führt aber zu Veränderungen
der Meßkapazität, indem die Kabelkapazität parallel zur Meßkapazität zu liegen kommt.
Der Vollausschlag der Anzeige muß demnach der jeweiligen Kabellänge angepaßt werden.
Außerdem wird die Messung durch Änderungen der Kabelkapazität infolge Alterung und
Temperaturänderungen stark beeinflußt. Ändert sich die Dielektrizitätskonstante
des Füllgutes infolge Druck- oder Temperaturänderungen, so geht diese Änderung ebenfalls
direkt in die Messung ein. Ebenso kann eine Meßanordnung, die für ein bestimmtes
Füllgut eingestellt ist, nicht ohne vorausgehende Messung der Dielektrizitätskonstanten
für ein anderes Füllgut verwendet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die kapazitive Füllstandsmessung
weitgehend unabhängig von der Art des Füllgutes ist und bei der Änderungen der Kabelkapazität,
der Meßfrequenz und des Verstärkungsgrades selbsttätig ausgeregelt werden.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an der Meßsonde
ein Kondensator so angebracht ist, daß sein Dielektrikum bei jedem zu messenden
Füllstand nur durch das Füllgut gebildet ist, daß die Meßsonde und der Kondensator
jeweils in Reihe mit
einem Widerstand parallel an eine Hochfrequenzspannungsquelle
angeschlossen sind, daß der eine Widerstand zum Abgleich der von der Meßsonde, dem
Kondensator und den beiden Widerständen gebildeten Brückenschaltung einstellbar
ist und daß der Schleifer des einstellbaren Widerstandes mit einer Füllstandsanzeige
verbunden ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt sich die Dielektrizitätskonstante
des Füllguts auf die beiden kapazitiven Zweige der Brückenschaltung in gleicher
Weise aus, so daß sie das Meßergebenis nicht beeinflußt. Das gleiche gilt für Temperaturschwankungen
des Füllguts und die Kapazität der Verbindungskabel. Die Anordnung kann daher ohne
Nacheichung für unterschiedliche Füllgüter und bei wechselnden Betriebsbedingungen
verwendet werden.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielshalber erläutert.
Darin zeigt F i g. 1 ein Prinzipschema der Meßschaltung, F i g. 2 einen Ausschnitt
des Schemas nach F i g. 1 mit einer schaltungstechnischen Verbesserung, und F i
g. 3 einen Querschnitt durch eine Elektrodenanordnung für die erfindungsgemäße Meßschaltung.
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F i g. 1 zeigt einen Hochfrequenzgenerator G, der über einen Trenntransformator
T mit der Meßbrücke verbunden ist. Ein Kondensator C12 stellt die Meßsonde für die
Füllstandsmessung in einem Behälter dar, und ein Kondensator C 13 ist der Meßkondensator
für die Dielektrizitätskonstante. Diese beiden Kondensatoren sind über abgeschirmte
Kabel, deren Abschirmung gestrichelt angedeutet ist, mit der einen Außenklemme der
Sekundärwicklung des Transformators T verbunden. Am Ort des Transformators T sind
auch zwei Widerstände R10 und R 11 angebracht, die mit einer Klemme an die an Masse
liegende Mittelanzapfung der Sekundärwicklung angeschlossen sind, während die andere
Klemme des Widerstandes R 10 über ein abgeschirmtes Kabel mit
dem
Kondensator C 12 und die andere Klemme des Widerstandes R11 mit dem Kondensator
C13 verbunden sind. Die beiden Kondensatoren C 12, C 13 und die beiden Widerstände
R 10, R 11 bilden zusammen eine Brückenschaltung, an deren Eingangsdiagonale die
Spannung 1710 zwischen der einen Außenklemme und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung
liegt, Der Verbindungspunkt 11 zwischen dem Widerstand R 10 und dem Kondensator
C 12 ist über einen Kompensationskondensator C11 mit der anderen Außenklemme der
Sekundärwicklung verbunden, und in entsprechender Weise ist auch der Verbindungspunkt
10 zwischen dem Widerstand R 11 und dem Kondensator C 13 über einen Kompensationskondensator
C 14 mit dieser Außenklemme verbunden.
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Der Widerstand R 11 ist mit einem verstellbaren Schleifer versehen.
Die Spannung V13 zwischen diesem Schleifer und Masse wird dem einen Eingang eines
Differenzverstärkers D10 zugeführt. Diese Spannung ist ein einstellbarer Teil der
am Widerstand R 11 abfallenden Spannung, die von der Kapazität des Kondensators
C 13 abhängt, die ihrerseits durch die Dielektrizitätskonstante des Füllguts bestimmt
ist. Dem anderen Eingang dieses Differenz verstärkers wird die am Widerstand R 10
abfallende Spannung 1711 zugeführt, die von der Kapazität des Kondensators C 12
abhängt, die ihrerseits durch die Höhe des Füllguts im Behälter und die Dielektrizitätskonstante
des Füllguts bestimmt ist.
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Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers D 10, das der Differenz
zwischen den Spannungen V11 und V13 entspricht, wird in einem Kraftverstärker A
10 verstärkt, dessen Ausgangsspannung einen Stellmotor M 10 -antreibt. Der Stellmotor
M10 verstellt den Schleifer des Widerstands R11, bis die Spannungen V11 und V13
gleich groß sind, Die Brückenschaltung befindet sich dann gewissermaßen im Abgleich,
wenn man unterstellt, daß die Nulldiagonale zwischen dem Schleifer und dem Punkt
11 liegt. Die Stellung des Schleifers ist dann ein Maß für den Füllstand des Behälters,
der mittels einer geeigneten Anzeige direkt abgelesen werden kann. Diese Anzeige
des Füllstands ist unabhängig von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts, da
sich diese auf die beiden die Kondensatoren C 12 und C 13 enthaltenden Brükkenzweige
in gleicher Weise auswirkt, Das gleiche gilt für die Kapazität der Verbindungskabel,
die in den beiden kapazitiven Brückenzweigen stets gleich ist.
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Die beiden -Meßkondensatoren C12 und C 13 werden mit den Kompensationskondensatoren
C 11 und C 14 derart abgeglichen, daß bei leerem Behälter die Anzeige des Schleifers
des Widerstandes R 11 Null ist.
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Werden die beiden Meßkondensatoren C 12 und C13 in der gleichen Meßsonde
angeordnet, so entsteht durch die notwendigen Durchführungen eine schädliche Kapazität
zwischen den Punkten 10 und 11, die sich auf das Meßergebenis auswirkt, weil die
Punkte 10 und 11 auch bei Abgleich der Brücke gewöhnlich auf verschiedenen Potentialen
liegen.
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Dieser Nachteil wird bei der Schaltung von Fig.2 vermieden, in welcher
die Teile C21, C22, R 20, R21, D20, A 20, M20 den Teilen C12, C13, R 10, R11JD10,A10,M10
von Fig. 1 entsprechen. In Fig.2 ist aber der Schleifer des Widerstands R 21 mit
Masse verbunden, so daß er den einen Teil dieses
Widerstandes kurzschließt, und dem
entsprechenden Eingang des Differenzverstärkers D 20 wird der ganze Spannungsabfall
am Widerstand R 21 zugeführt. Der Abgleich erfolgt also in diesem Fall durch Veränderung
des Widerstandswerts des Widerstands R 21, und man erkennt, daß im Abgleich die
schädliche Kapazität zwischen zwei Punkten angeschlossen ist, die auf gleichem Potential
liegen.
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Fig. 3 zeigt den mechanischen Aufbau der Meßsonde mit den beiden
Meßkondensatoren C 12 und C13 von Fig. 1. Der zur Messung des Füllstandes vorgesehene
Kondensator C 12 ist durch die koaxial ineinanderliegenden Rohre 36 und 37 gebildet.
Der Kondensator C 13 zur Messung der Dielektrizitätskonstanten besteht aus den kreisförmigen
Platten 43, 44 und 45, die am unteren Ende der Rohre 36 und 37 im Abstand voneinander
angebracht sind. Die drei Platten sind unter sich mit isolierenden Distanzstücken
47 und Schrauben 46 so gehalten, daß die äußeren Platten 43 und 45 leitend miteinander
verbunden und von der mittleren Platte 44 isoliert sind; Die Platte 43 ist leitend
mit dem äußeren Rohr36 verbunden und besitzt ein großes Mittelloch, in welchem die
Bodenschlußplatte 50 des inneren Rohres 37 liegt. Die Zuführung zum Kondensator
C 13 erfolgt über die Leitung 40 zur mittleren Platte 44. In der Bodenverschlußplatte
50 ist ein Durchführungsisolator 41 vorgesehen. Die Leitung 40 ist bei 42 in Mittelloch
48 der Platte 44 angelötet. Damit kein Kurzschluß zwischen dem Leiter 40 und der
Platte 49 auftreten kann, ist diese ebenfalls mit einem Mittelloch 49 versehen.
Die Führung des inneren Rohres 37 gegenüber dem äußeren Rohr 36 geschieht mit Zapfen
38 und Durchführungsisolatoren 39. Auf dem Umfang sollten vorteilhafterweise drei
solche Füh rungen vorgesehen sein. Die Halterung der Rohre 36 und 37 am Deckel 53
des Behälters erfolgt über ein Distanzstück 52. Die Zentrierung der beiden Rohre
wird mit einem Isolierstück 33 vorgenommen, das mit einem Halterungsring 41 befestigt
ist. Der elektrische Anschluß des inneren Rohrs 37 erfolgt über den Schraubenkopf
34 einer Schraube 32, die durch eine Mutter 51 über eine Beilagscheibe35 mit dem
Ioslierstück 33 verschraubt ist. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators
T wird mit dem Halterungsring 31 verbunden, der Anschluß der Meßkapazität C 12 für
die Füllstandsmessung erfolgt an der Schraube 32, und der Anschluß der Kapazität
C 13 zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante erfolgt an der Leitung 40.
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In der durch den Halterungsring 31 und das Isolierstück 33 gebildeten
Vertiefung könnte auch ein Dreipolsteckersockel vorgesehen werden.