DE2941652A1

DE2941652A1 - Vorrichtung zur kapazitiven fuellstandsmessung

Info

Publication number: DE2941652A1
Application number: DE19792941652
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Rainer 2000 Hamburg Decker
Original assignee: Precitronic Gesellschaft fuer Feinmechanik und Electronic mbH
Current assignee: Precitronic Gesellschaft fuer Feinmechanik und Electronic mbH
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1981-04-23
Also published as: GB2060898A; DE2941652C2; GB2060898B; US4373389A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung· zur kapazitiven Fülletandemessung einer Flüssigkeit in einem Behälter mit zwei sich über den Füllhöhenbereich des Behälters erstreckenden Elektroden, die einen Meßkondensator zum Messen der entsprechend 5 dem Füllstand sich verändernden Kapazität bilden und von denen die eine Elektrode über ihre Höhe in zwei zueinander isolierte Teilflächen aufgeteilt ist.

Üblicherweise wird bei derartigen Füllstandsmessungen die dielektrische Suszeptibilität K des Füll-Mediums als konstant 10 angenommen, d.h. sie wird als Mittelwert über den Arbeitstemperaturbereich und das Spektrum der K-Werte aller zu verarbeitenden Füllmedien angenommen und die Anzeigenapparatur auf diesen Mittelwert eingestellt. Häufig sind die Suszeptibilitätswerte der zu

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BANK: DRESDNER BANK, HAMBURG. 4 030 448 (BLZ 200 800 00) · POSTSCHECK: HAMBURG 1476 07- 200 (BLZ 200 100 20) · TELEGRAMM: SPECHTaES

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messenden Füllmedien jedoch so weit auseinanderliegend, daß eine Messung mit Hilfe des Mittelwertes nicht mehr möglich ist, bzw. ungenau wird. Für Messungen von Medien mit größeren Schwankungen der K-Werte wird dann ein Referenzkondensator verwendet, der ständig mit dem Medium in Kontakt ist und der beispielsweise an der tiefsten Stelle des Behälters angebracht werden muß, um die Referenzmessung auch bei niedrigem Füllstand zu garantieren. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Vergleichskondensator verstärkter Beanspruchung durch Verschmutzung und Korrosion unterliegt und in ungünstigen Fällen vom übrigen Behälterinhalt abweichende Werte für die Leitfähigkeit und dielektrische Suszeptibilität am Ort des Referenzkondensators gemessen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem Behälter zu schaffen, bei dem die veränderliche dielektrische Suszeptibilität des Füllmediums berücksichtigt wird und Rückschlüsse auf den Füllstand und die Suszeptibilität gesondert möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung der eingangs genannten Art, die gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1.

Durch diese Gestaltung der Teilflächen wird erreicht, daß der von der Flüssigkeit bedeckte Teil der einen Teilfläche erfin-

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dungsgemäß nicht linear, sondern beispielsweise quadratisch mit der steigenden Füllstandshöhe ansteigt; die andere Teilfläche ist vorzugsweise so bemessen, daß die Summe der beiden Teilflächen mit steigendem Füllstand linear anwächst. Hit der Summen- und Differenzbildung kann aus den gemessenen Teilkapazitäten sowohl die Größe der Suszeptibilität als auch die Größe der Füllstandshöhe des zu messenden Mediums durch rechnerische Verknüpfung mit Mikroprozessorsystemen gesondert ermittelt werden. Als besonders zweckmäßig hat sich die Aufteilung der inneren Elektrode in zwei gleich große, in der Abwicklung dreieckige Teilflächen erwiesen, wobei die eine Teilfläche mit ihrer Spitze nach unten weist und die andere Teilfläche mit ihrer Spitze nach oben weist.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt :

Fig. 1 die Teilflächen der Innenelektrode in der Abwicklung,

Fig. 2 die für die Messung erforderliche Schaltung in schematiecher Darstellung,

Fig. 3 die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelten Teilkapazitäten in Abhängigkeit von der Füllhöhe in

graphischer Darstellung.

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Der erfindungsgemäße Meßkondensator besteht zweckmäßigerweise aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden, deren Innenelektrode in zwei Blechen wie in der Fig. 1 in der Abwicklung gezeigt, aufgeteilt ist. Die Teilflächen F. und F₂ sind kongruente Dreieoke, die zusammen eine rechteckige Abwicklungefläche mit der Höhe H und der Breite b, die den Umfang der Innenelektrode entspricht, ergeben.

Wird die Außenelektrode aus einem Generator 1 mit einem Wechselstrom bekannter Spannung, Kurvenform und Frequenz be aufschlagt, dann fließt die Elektrode in der an sich bekannten Schaltung der Fig. 2 in jedem der beiden Teilzweige mit entgegengesetzt gepolten Dioden 2a, 2b, 2c, 2d ein gleich großer, pulsierender Gleichstrom entgegengesetzter Polarität, der proportional zu jeweiligen Kapazität C₁ und Cp ist. Durch die Geometrie der Teilflachen F₁ und F₂ gegeben, hängen diese Teilkapazitäten C₁ und C₂ in berechenbarer Weise von der Füllhöhe h und der dielektrischen Suszeptibilität K des zu messenden Füllmediums ab.

Wenn davon ausgegangen wird, daß der Zylinderdurchmesser groß gegenüber dem Elektrodenabstand ist, und ein homogenes Medium gegeben ist, dann sind die beiden Teilkapazitäten C₁ und C₂ in für den ebenen Plattenkondensator gültiger Näherung durch die folgenden Gleichungen gekennzeichnet t

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(la) C, = C. + K · F. · c = C_T + K · h · b · c

I Jj I Jj

₀ = C_T + K . F₀ c = C_T

CU C. Jj

(ib) C₀ = C_T + K . F₀ · c = C_T + K ♦ c · (h · b - h² . b)

CU C Jj

Hierbei iet C_T die für beide Zweige etwa gleich große

Jj

Leerkapazität, die sich aus der Kapazität der Elektroden mit Luft als Dielektrikum und den parasitären Kapazitäten zusammensetzt. K ist die dielektrische Suszeptibilität des Mediums, c ist eine geometrieabhängige Konstante, b ist der Umfang der Innenelektrode und h ist die zu bestimmende Füllhöhe des Mediums.

Durch Addition und Subtraktion der Gleichungen 1a und 1b werden die neuen Gleichungen wie folgt erhalten :

(2a) C₁ + C₂ = 2C_L + K · h² · b · c + K · c . (h · b - h² · b) = 2C_T + K · c · h · b

(2b) C₂ - C₁ = K · c (h · b - h² · b) - K . h² · b · c =-2K«h².b«c+K.c«h.b

Diese Addition kann auf elektronischem Wege sehr einfach durch Summation der Ströme je eines Teilzweiges 2b, 2c und Anzeige über ein Strom-Meßgerät 3 erfolgen. Hierbei kann das Strom-Meßgerät 3 gleichzeitig zur Notanzeige dienen. Die Addition und Subtraktion können aueh durch analog oder digital ar beitende Recheneinheiten 4 und 5 ausgeführt werden.

Wenn die Werte C,, c und b numerisch bekannt Bind, lassen

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sich die zu ermittelnden Werte K und h aus diesen beiden Gleichungen leicht berechnen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Mikroprozessors folgen, der es zudem ermöglicht, den Einfluß eines beliebig geformten Behälters zu berücksichtigen, so daß aus der Füllhöhe h auch das Volumen des Mediums bestimmt werden kann.

Weiterhin ist es unter Zugrundelegung eines funktionalen Zusammenhanges zwischen den Materialgrößen Suszeptibilität K und spezifischer Dichte 9 möglich, die Masse des Füllmediums zu berechnen« ohne daß eine gesonderte Dichtemessung erforderlich ist.

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Claims

Patentansprüche

'\.) Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter, mit zwei sich über den Füllhöhenbereich des Behälters erstreckenden Elektroden, die einen Meßkondeneator zum Messen der entsprechend dem Füllstand sich verändernden Kapazität bilden, von denen die eine Elektrode über ihre Höhe in zwei voneinander isolierte Teilfäohen aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die eine Teilfläche (F.) oder (F₂) der aufgeteilten Elektrode eine über die Höhe der Elektrode zu- oder abnehmende Breite hat und daß die von den beiden Teilflachen (F.) und und (F₂) gebildeten Teilkapazitäten (C₁ und (C₂) an zwei Einrichtungen (4, 5) zur unterschiedlichen logischen Verknüpfung der den beiden Teilkapazitäten entsprechenden Signale angeschlossen sind.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die «ine Einrichtung (4) eine Schaltung zur Bildung der Summe und die ander· Einrichtung eine Sohaltung (5) zur Bildung der Differenz der beiden Teilkapa-

Zitaten ist.
3. Torrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daB ait zunehmender Höhe der Elektrode die Breite der einen Teilfäohe (F₁) konstant zu- und die der anderen (F₂) konstant abnimmt, daß die Suaae der beiden Breiten konstant ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfächen (F₁, F₂) zwei gleich große in der Abwicklung dreieckige Flächen sind, von denen die eine mit ihrer Spitze nach unten und die andere mit ihrer Spitze nach oben weist.
5. Vorrichtung naoh Anspruch 1 , daduroh gekennzeichnet, daß die den Teilflftohen (F₁, Fg) der inneren Elektrode entsprechenden Teilkapazitäten (C₁, C«) zur Ermittlung Ton Füllstandshöhe (h) und dielektrischer Suszeptibilität (K) duroh ein dem Torgegebenen Flächenverlauf entsprechendes Mikroprozessorsystem rechnerisch miteinander verknüpft sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 * dadurch gekennzeichnet , daß die Verknüpfung durch eine Schaltung

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mit linearen und nicht linearen Bauelementen (4t 5) analog erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 » dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung mittels vorgeschalteter Analog-Digital-Wandler durch geeignete Digitaleohaltungen erfolgt.

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