DE3822344A1 - Vorrichtung zum messen von das dielektrische verhalten beeinflussenden eigenschaften einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften von Flüs­ sigkeiten, insbesondere der Stoffzusammensetzung.

Diese Messung wird z. B. benötigt zum Überwachen und automatischen Nachregulieren des Alkoholgehaltes von Alkohol- Wasser-Mischun­ gen, wie sie als sog. Feuchtemittel in Druckereien verwendet werden.

Nach dem Stand der Technik wird dies mit Hilfe eines Schwimmers oder Aerometers bewerkstelligt, welcher auf die Ände­ rung des spezifischen Gewichts aufgrund des Alkoholgehaltes rea­ giert und je nach seiner Eintauchtiefe einen Schalter auslöst. Der Nachteil hierbei ist die hohe Störanfälligkeit gegenüber Verschmutzungen, Luftbeimischungen und mechanischen Bewegungen. Außerdem ist ein genaues Ablesen der Meßwerte schlecht möglich.

Es sind andere Verfahren bekannt, welche die Änderung der Dielektrizitätszahl ausnützen zum Ermitteln vom Wassergehalt eines Materials. Die deutsche OS 35 07 507 beschreibt einen kapazitiven Geber für Feuchtemittel, welcher jedoch nicht geeignet ist zur Messung von Stoffzusammensetzung, sondern lediglich zur Füllstandsmessung. OS DE 35 18 186 beschreibt ein kapazitiv arbeitendes Verfahren zum Ermitteln des Wasser­ gehaltes in Alkohol, die OS DE 20 02 168 eine Elektrodenvor­ richtung zur Messung von Öl-Wasser-Gemischen, die AS DE 24 33 740 und 24 36 344 beschreiben eine Sonde zur Messung des Wasser­ gehaltes in Butter. Die genannten Verfahren basieren jeweils auf Auswertung der an einer kapazitiven Vorrichtung auftreten­ den Kapazität. Diese Verfahren lassen sich jedoch nicht zur genauen Messung des Mischungsverhältnisses verwenden, wenn der Wasseranteil überwiegt und gleichzeitig das Wasser durch Zugabe verschiedener Salze oder Pufferchemikalien in seiner elek­ trischen Leitfähigkeit erhöht ist und daher die Messung der Kapazität störend beeinflußt.

Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, daß sich Verschmutzungen, z. B. Ölbeimengungen, an den Elektroden anlagern, haften bleiben und die Messung durch deren eigene Dielektrizitätszahl unkontrol­ lierbar verfälschen. Dies liegt daran, daß deren Dielektrizitäts­ zahl mit ca. 3 einen extrem verschiedenen Wert aufweist als die zu messende Flüssigkeit mit ca. 80, wenn diese zum größten Teil Wasser enthält, und sich als in Reihe liegende Isolation aus­ wirkt. Das gleiche gilt für Gasbläschen, die sich aus der Flüssigkeit abscheiden und an den Elektroden haften bleiben.

Aufgabe der Erfindung ist ein Gerät, welches die genannten Nachteile nicht aufweist, keine bewegten Teile enthält und auch gegenüber Anlagerungen von Schmutz unempfindlich ist.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß in der kapazitiven Elektrodenvorrichtung mindestens ein elektrisch nichtleitender Körper, nachfolgend "Blende" genannt, vorhanden ist, der die Flüssigkeit berührt und der in einem Bereich des elektrischen Feldes angeordnet ist in der Weise, daß er eine Umlenkung, Verlängerung oder Verengung der Feldlinien bewirkt, um somit die Feldstärke an der Oberfläche der Elektroden zu verrin­ gern.

Der isolierende Körper als Blende zwischen den Elektroden bewirkt, daß die Feldlinien auf dem in der Flüssigkeit gegebenen Weg von Elektrode zu Elektrode umgelenkt werden, und zwar zum Beispiel verlängert oder verengt. Dies bewirkt eine Verringerung der Feldstärke in der Nähe der Elektroden und an dessen Ober­ fläche: Bei relativ kleiner Kapazität ist eine im Prinzip beliebig große Oberfläche der Elektroden möglich.

Hierdurch wird erreicht, daß:

• 1. der Hauptanteil des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden sich in der Flüssigkeit aufbaut und nicht in der Nähe der Elektroden, und somit
• 2. trotz der vergleichsweise hohen Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit von etwa 80 auch bei hohem Wasseranteil die Feldstärke in der Nähe der Elektroden so stark abgeschwächt ist, daß anlagernde Verschmutzungen auf das Feld keine wesentlichen Einfluß haben;
• 3. daß aufgrund dieser Abschwächung der Feldstärke die durch Salz- oder Puffergehalt auftretende hohe Leitfähigkeit soweit reduziert ist, daß ihr Einfluß auf die Messung der Kapazität mit Hilfe einer Schaltung gemäß der Erfindung völlig ausgeglichen/kompensiert werden kann, und
• 4. daß trotz dieser Abschwächung sich der Hauptanteil des Feldes in der Flüssigkeit aufbaut und nicht etwa in isolierenden Körpern, wie dies der Fall wäre, wenn die Elektroden mit elektrischer Isolierung umhüllt wären.

Eine Möglichkeit zur Umlenkung kann wie im 1. Ausführungsbeispiel und gemäß Anspr. 2 und 3 durch eine Verengung der Feldlinien geschehen, indem die Feldlinien durch ein enges Loch einer Blende geführt werden, oder wie im 2. Ausführungsbeispiel, Anspr. 4 u. 5, durch Verlängerung der Feldlinien. Beides hat eine Verringe­ rung der Kapazität zwischen den Elektroden zur Folge und daher eine Absenkung der Feldstärke an den Elektroden und daher eine Absenkung von Stör-Einflüssen durch Verschmutzung der Elektro­ den. Die Verringerung der Kapazität wird hierbei nicht in erster Linie durch die in Reihe liegende Kapazität eines Dielektrikums verursacht, wie es bei einer einfachen isolierenden Umhüllung der Elektroden der Fall wäre, sondern durch den unterschiedlichen Weg der Feldlinien im Meßgut.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Messung unabhängig von Veränderungen des elektrischen Leitwertes, die durch verschiede­ nen Ionengehalt der Flüssigkeit verursacht werden und üblicher­ weise durch elektrische Dämpfung die Kapazitätsmessung stören.

Eine elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung Anspr. 6-10, ermöglicht die Auswertung der an der kapazitiven Vorrichtung anliegenden Kapazität, wobei die Stör-Einflüsse durch verschiedene Leitfähigkeiten der Flüssigkeiten ausgeglichen werden, indem die Phasenlage eines mit der Flüssigkeit gebildeten Schwingkreises gemessen wird und verglichen wird bei einer getakteten Bedämpfung des Schwingkreises.

Erklärung eines Ausführungsbeispiels, (siehe Querschnittzeichnung Fig. 1):

Ein äußeres Metallrohr 11 dient als eine Elektrode. Koaxial darin ist ein kleineres Metallrohr 12 als zweite Elektrode angeordnet. Die beiden Blenden 14 und 15 sind isolierende Kunststoffscheiben mit je einer Bohrung die das innere Rohr halten und es bis auf zwei Öffnungen abdecken. Der Zwischenraum ist dicht ausgefüllt durch das isolierende Füllmaterial 13. Beide Elektroden sind über das geschirmte Kabel 16 mit der elektronischen Schaltung 30 verbunden. Die Feldlinien (gestrichelt gezeichnet) erfahren in den Löchern der Blenden 14 und 15 eine Verengung, so daß der Hauptanteil der Feldstärke in diesem Bereich liegt.

Zweites Ausführungsbeispiel (gemäß Anspruch 4 und 5) siehe Fig. 2:

Ein äußeres Metallrohr 21 dient als die größere Elektrode und ist auf der Innenseite mit dem isolierenden Rohr 23 ausgekleidet. Die innere Elektrode 2 befindet sich im Innenraum, und ist über das Kabel 26 angeschlossen. Der Innenraum ist mit der zu messenden Flüssigkeit ausgefüllt. Indem die Fläche der Elektrode 21 bzw. ihrer Abdeckung 23 wesentlich größer ist als der Abstand zur inneren Elektrode 22, resultiert für die Feldlinien, daß sie sich in einen wesentlich größeren Raum ausbreiten, als es ohne die Isolation 23 der Fall wäre und in Fig. 2b angedeutet ist.

Die Isolation 23 kann vorteilhafterweise etwas kürzer sein als das äußere Rohr 21, so daß die Feldlinien im Bereich der Rohrenden auch direkt in die Elektrode 21 münden. Hierdurch werden die Feldlinien unter Umgehung der Isolation auf einen längeren Weg gezwungen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Ansprüchen 6 bis 9;

Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm der Signale.

Die kapazitive Vorrichtung bildet mit der Induktivität L einen Schwingkreis 31. Dieser ist mittels Kondensator 32 an den Hochfrequenzoszillator 33 angekoppelt. Die Spannungsdifferenz U 34 zwischen Oszillatorspannung U 33 und Schwingkreisspannung U 31 wird über den Gleichrichter 34 gemessen und im Verstärker 35 verstärkt. Wenn Schwingkreis und Oszillator aufeinander abgestimmt sind (Resonanzfall), hat die Spannung U 24 im Wesentlichen die gleiche Amplitude wie die Oszillator­ spannung U 33, da U 31 wegen der kapazitiven Ankopplung in seiner Phasenlage senkrecht zu U 33 steht und wesentlich kleiner ist. (Siehe Fig. 4)

In regelmäßigen Zeitabständen wird der Transistor 36, vom Langsamen Oszillator 37 angesteuert, leitend geschaltet, so daß er den Schwingkreis 31 voll bedämpft und daher die Spannung U 31 abschaltet. Im Resonanzfall (bei 90 Grad Phasenverschiebung) hat diese Bedämpfung wie oben geschildert keinen Einfluß auf die in 34 gemessene Amplitude. Wenn durch geänderte Stoffzusammensetzung in der kapazitiven Vorrichtung eine Veränderung der Kapazität eintritt, so wird die durch die Verstimmung resultierende Phasen­ verschiebung über Gleichrichter 34 und Verstärker 35 gemeldet als ein getakteter Amplitudensprung. Dieser wird im getakteten Gleichrichter 38 in eine Gleichspannung umgeformt und dem Regel­ verstärker 39 zugeführt. Dieser verstellt die Spannung der Kapazitätsdioden-Schaltung 40 und damit die Abstimmung des Krei­ ses 31 solange, bis die Resonanz wieder eingestellt ist. Hierbei ist die Ansteuerung der Kapazitätsdiode ein Maß für die gemessene Kapazität und somit für die Stoffzusammensetzung.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften von Flüssigkeiten, insbesondere Stoffzusammensetzung, mit einer von der Flüssigkeit durchsetzten kapazitiven Elektrodenvor­ richtung zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes in der Flüssigkeit, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der kapazitiven Elektrodenvorrichtung mindestens ein elektrisch nichtleitender Körper, nachfolgend "Blende" ge­ nannt, vorhanden ist, der die Flüssigkeit berührt und der in einem Bereich des elektrischen Feldes angeordnet ist in der Weise, daß er eine Umlenkung, Verlängerung oder Verengung der Feldlinien bewirkt, um somit die Feldstärke an der Oberfläche der Elektroden zu verringern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende in dem in der Flüssigkeit gegebenen Weg von Elektrode zu Elektrode angeordnet ist und daß der von der Blende freigelassene Querschnitt kleiner ist als die Fläche der Elektroden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein äußeres Metallrohr (11) als eine Elektrode, ein darin axial angeordnetes kleineres und kürzeres Metallrohr (12) als zweite Elektrode, sowie elektrisch isolierende Mittel (13, 14, 15), welche den Raum zwischen innerem und äußerem Rohr trennen oder abdecken und das innere Rohr an seinen Enden abdecken und mindestens eine Öffnung zur inneren Elektrode freigeben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Elektroden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eine Elektrode zur Flüssigkeit hin eine wesentlich größere Oberfläche aufweist als die andere, und daß die größere Elektrode bedeckt ist von einem isolierenden Material.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein äußeres Metallrohr (21) als eine Elektrode, ein darin angeordnetes elektrisch isolierendes Rohr (23) und ein darin oder teilweise darin angeordneter Metallkörper (22) als zweite, kleinere Elek­ trode.

6. Verfahren zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflussenden Eigenschaften von Flüssigkeiten, insbesondere Stoffzusammensetzung, bei dem mittels einer von der Flüssigkeit durchsetzten kapazitiven Elektrodenvorrichtung ein elektrisches Wechselfeld in der Flüssigkeit erzeugt wird, unter Verwendung einer elektronischen Schaltung, welche eine Induktivität enthält, die mit der Elektrodenvorrichtung verbunden ist und mit der an der Elektrodenvorrichtung anliegenden Kapazität einen Schwingkreis bildet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schwingkreis lose an einen Hochfrequenzoszillator angekoppelt ist, und daß die Phasenlage zwischen den Signalen des Oszillators und des Schwingkreises gemessen wird.

7. Verfahren zur Messung der Dielektrizitätszahl von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Phasenlage geschieht, indem die Differenzspannung zwischen Oszillator (33) und Schwing­ kreis (31) gemessen wird, indem zwischen Oszillator-Ausgang und Schwingkreis ein Amplitudendemodulator wie z. B. ein Dioden­ gleichrichter (34) angeschlossen ist und daß in wiederholten Zeitabschnitten der Schwingkreis durch ein daran angeschlossenes elektronisch schaltendes Bauteil (36) bedämpft oder kurzge­ schlossen oder abgetrennt wird, und daß die dabei am Demodula­ tor gemessene wiederholte Amplitudenänderung ausgewertet wird zum Ermitteln der Phasenlage.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Oszilla­ tor und Schwingkreis gegeneinander abgestimmt werden mittels eines frequenzbeeinflussenden Bauteils (40), z. B. einer Kapazi­ tätsdiode, das im Schwingkreis oder im Oszillator eingebaut ist, und daß die am Demodulator gemessene Amplitudenänderung mittels dieser Abstimmung über eine Regelschaltung (39) auf einen bestimmten Wert oder auf Null nachgeregelt wird, indem die Regelschaltung das frequenzbeeinflussende Bauteil als Stellwert ansteuert, und daß dieser Stellwert verwendet wird als Maß für die Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit.

9. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Induktivität, welche an die kapazitive Vorrichtung angeschlossen ist und mit dieser einen Schwingkreis bildet, einen hochfrequenten Oszillator (33) und ein Glied (32) zum losen Ankoppeln dieses Oszillators an den Schwingkreis, elektronisch schaltende Mittel (36) zum taktweisen Bedämpfen oder Abschalten des Schwingkreises, eine Gleichrichter- bzw. Demodulator-Vorrichtung (34), welche zwischen Schwingkreis und Oszillator geschaltet ist, ein frequenzbeeinflussendes Bauteil (40) im Oszillator oder im Schwingkreis, und eine getastete Regelschaltung (35, 38, 39), deren Regelwert die Stärke des demodulierten Signals ist und deren Stellwert das frequenzbeeinflussende Bauteil ist.

10. Verfahren zur Messung von das dielektrische Verhalten beeinflus­ senden Eigenschaften von Flüssigkeiten unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Flüssigkeit bewirkten elek­ trischen Eigenschaften der kapazitiven Vorrichtung ausgewertet werden mit einer Schaltung, welche auf den Blindanteil und/oder Wirkanteil der an der kapazitiven Vorrichtung auftretenden Impe­ danz gesondert reagiert und mit einer Abgleichmöglichkeit ausge­ rüstet ist, mit welcher der Phasenwinkel bzw. das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindanteil der resonderten Reaktion justiert werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausgelegt und geeicht ist zum Messen des Mischungsverhältnisses von Alkohol-Wasser-Mischungen und mit einer elektronischen Anzeige für den Meßwert ausgerüstet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler zum Messen der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit vorhanden ist und mit der elektronischen Schaltung derart verknüpft ist, daß er die an der Flüssigkeit auftretende Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften, insbesondere den negativen Temperaturkoeffizienten der Kapazität von Wasser, kompensiert.

13. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Konstantregelung des Alkoholge­ haltes im Feuchtemittel für Druckmaschinen ausgerüstet ist, indem eine Schaltung zum Vergleichen des Meßwertes mit einem einstell­ baren Sollwert eingebaut ist sowie ein Anschluß, welcher mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung verbunden ist, um zum Ansteuern einer Vorrichtung zur automatischen Alkohol-Zufuhr zu dienen.