DE4105857C2 - Vorrichtung zur Messung eines Massestromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Massestromes von Meßgut mit einer zu seiner Umgebung unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, insbesondere von Schüttgut, wobei der Massestrom durch einen Meßkondensator, dessen Kapazität laufend mit einer Meßvorrichtung gemessen wird, so hindurchgeleitet wird, daß er ein geschichtetes Dielektrikum mit einer über seinen Querschnitt annähernd homogenen Geschwindigkeitsverteilung bildet.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DD 2 58 655 A1 bekannt. Bei dieser wird ein Fördergutstrom auf einem Förderband durch einen Meßkondensator bewegt, dessen Elektroden unter und über dem Förderband mit dem darauf ruhenden Meßgut angeordnet sind. Das Meßgut bildet ein geschichtetes Dielektrikum zur umgebenden Luft und dem Förderband, wobei jedoch die Schichthöhe des Meßgutes, das sich jeweils im Kondensaterfeldbereich aufhält, erheblich unterschiedlich sein kann, so daß wegen der Nichtlinearität der Kapazitätsfunktion bezogen auf die Schichthöhe keine genauen Meßergebnisse über die dort vorhandenen und durchlaufenden Materialmenge zu erzielen sind.

Weiterhin ist aus der DE-AS 13 00 316 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Feuchtmessung von Schüttgut bekannt, bei der auf einer ebenen Meßelektrodenanordnung eines Meßkondensators laufend Schüttgut aufgebracht und mit einem Abstreifer auf einer vorgegebenen Höhe abgezogen wird. Hierdurch ergibt ein jeweils gemessener dielektrischer Verlust der Schüttgutschicht ein Maß für die darin enthaltenen Feuchtigkeit, falls die diesbezügliche Materialfunktion vorliegt.

Aus DE 21 06 970 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere Masseströme von Erntegut, nämlich Getreidekörner, quasikontinuierlich durch zugeordnete Kondensatoren hindurchgeleitet werden, deren Kapazitäten laufend gemessen und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden, so daß das gebildete Kapazitätenverhältnis jeweils ein relatives, qualitatives Maß für das Verhältnis der beiden Körnerströme zueinander ist. Die Körner fallen dabei in loser undefinierter räumlicher Verteilung durch die Kondensatoren hindurch; deshalb gibt der jeweilige Kapazitätswert nur ein qualitatives aber kein reproduzierbares quantitatives Maß für den Körnerstrom wieder, da sich die Meßobjekte abhängig von ihrer relativen Lage im elektrischen Meßfeld zueinander feldmäßig und somit meßsignalmäßig unterschiedlich beeinflussen. Außerdem ist diese Vorrichtung nicht geeignet, absolute Meßwerte für die Masseströme zu liefern, da deren kapazitive Feldbeeinflussung stark von den Materialeigenschaften, z. B. der Feuchtigkeit, der relativen Dielektrizitätskonstante, des elektrischen Leitwertes, insbesondere aber der Dichte des Meßgutes, abhängig ist. Weiterhin weisen die Kondensatoren der bekannten Vorrichtung stark inhomogene Feldverteilungen auf, was weitere Meßungenauigkeiten mit sich bringt.

Weiterhin ist aus DE OS 19 42 773 eine Vorrichtung bekannt, bei der in einem Teilbereich eines Kondensators ein Getreidekörnerstrom angestaut wird, der quasikontinuierlich durch eine gesteuerte Entleerung des Kondensatormeßraumes abgeführt wurde. Aus der Kondensatorkapazität wurde die Stauhöhe und somit das Stauvolumen bestimmt, aus dem in Verbindung mit der Entladehäufigkeit ein Körner-Volumenstrom ermittelt wurde. Diese Vorrichtung ist nur für relativ langsam fließende Körnerströme geeignet, und für die Entleerung ist ein platzaufwendiges Zellrad oder ein im Entladezeitraum eine Meßungenauigkeit hervorrufende, mechanisch zu betätigende Entladeklappe erforderlich.

Weiterhin ist aus EP 02 08 025 A1 ein Massestrommesser für hohe Durchsätze bekannt, bei dem ein durch einen Aufzug geförderter Massestrom in einem Rohrbogen abgelenkt wird, an dem eine kontinuierlich arbeitende Wägevorrichtung angeordnet ist, die die durch die bogenförmige Ablenkung am Rohrbogen auftretende Kraft mißt, die ein Maß für den Massestrom ist. Die Meßgenauigkeit ist jedoch zum einen von einer genauen Einhaltung der Fördergeschwindigkeit abhängig und zum weiteren von dem Reibungsbeiwert des Rohrbogens in Bezug auf die jeweiligen Körner. Da dieser Beiwert stark feuchtigkeits- und reifegradabhängig ist und die Förderung mit einem Löffelbagger quasikontinuierlich erfolgt, ist nur eine geringe Meßgenauigkeit zu erreichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die eingangs beschriebene Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines Massestromes, insbes. von Körnergut, so zu verbessern, daß sie für hohe Durchsätze geeignet ist und bei relativ einfachem Aufbau eine hohe Genauigkeit und absolute Meßwerte liefert.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß

• - der Massestrom am Ausgang eines Elevators, der mit annähernd konstanter Geschwindigkeit betrieben wird, an einer gekrümmten Gehäusewandung so umgelenkt wird, daß er das geschwindigkeitshomogene, geschichtete Dielektrikum in dem daran angeordneten Meßkondensator bildet,
• - dessen einer Kondensatorbelag massestromseitig angeordnet ist und
• - dessen erste Kapazität zu einer zweiten Kapazität eines zweiten Meßkondensators laufend in ein Kapazitätsverhältnis gesetzt wird, das eine Anzeige und/oder einer Weiterverarbeitung zugeleitet wird, und daß die zweite Kapazität mit der gleichen Meßvorrichtung an dem zweiten Meßkondensator ermittelt wird, wenn dieser mit dem vorliegenden Meßgut gänzlich gefüllt ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Massestrom so durch einen ersten Meßkondensator geleitet, daß er ein geschichtetes Dielektrikum mit einer annähernd homogenen Geschwindigkeitsverteilung bildet, und so durch einen zweiten Meßkondensator geführt, daß dieser einen größeren Massezustrom als einen Masseabfluß aufweist, so daß es überlaufend stets ganz gefüllt ist. Die beiden Kapazitäten der Meßkondensatoren werden mit der gleichen Meßvorrichtung ermittelt, um ein Kapazitätenverhältnis zu bilden. Die laufende Absolutwertmessung eines Körnerstromes in Erntemaschinen erbringt erhebliche Vorteile bei der Nutzung des Meßwertes zur Regelung und Überwachung des Betriebes der Maschine, insbes. der Vorschubgeschwindigkeit, der Siebantriebe und der Schnitthöhe, und sie erlaubt die Erstellung eines Erntekatasters, das eine Grundlage für eine sich über Jahre erstreckende systematische, dem jeweiligen Boden- und Ertragswerten angepaßte, Bodenbearbeitung und Düngung ist.

Das neuartige Prinzip, nach dem die Vorrichtung arbeitet, nämlich daß die beiden Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante, also zum Beispiel die Luft und die Körnerschüttung, weitgehend getrennt voneinander, aber geschichtet durch den Meßkondensator geführt werden, beruht auf der Erkenntnis, daß nur so ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Mengenverhältnis der beiden Medien im Kondensatorfeld und der Kapzität gegeben ist. Die Vorrichtung ist somit sowohl für die Messung von Strömen fließfähigen Feststoffgutes der verschiedensten Art in einem gasförmigen oder flüssigen Medium geeignet, als auch für eine Verteilungsmessung einer Dispersion von Gasblasen oder Flüssigkeitstropfen in einer Flüssigkeit mit einer anderen Dielektrizitätskonstanten.

Die für die Messung der Mengenverhältnisse der verschiedenen Medien erforderliche Schichtung derselben in dem Kondensatorbereich erfolgt entweder nur über die Einwirkung der Gravitation über eine längere schräge Rutschstrecke oder zusätzlich über die Trägheitskraft der Massepartikel bei einer Richtungsablenkung des Massestromes, wodurch sowohl die erforderliche Baulänge der Vorrichtung gering gehalten werden kann und eine intensive Durchmischung des Stromes erfolgt, so daß er über seinen Querschnitt eine weitgehend homogene Geschwindigkeitsverteilung erlangt, die eine der Voraussetzungen für eine aussagefähige Messung ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Meßvorrichtung in Verbindung mit einer Erntemaschine besteht darin, daß hinter dem Getreideelevator, z. B. dem Löffelbagger, ein Bahnkrümmer angeordnet ist, in dem eine Durchmischung der Körner, die auf verschiedenen Bahnradien ausgeworfen werden und dabei verschiedene Geschwindigkeit haben, erfolgt und wodurch die Zentrifugalkraft, die an der gebogenen Wandung auftritt, eine Verdichtung des Körnerstromes und eine Geschwindigkeitshomogenisierung bewirkt. Die glatte Führungsbahn und der vergleichmäßigte Körnerfluß schließt eine Beschädigung des empfindlichen Erntegutes aus. Aus der Meßstrecke wird der Körnerstrom im wesentlichen ungebremst in ein Silo weiterbefördert; nur ein Teilstrom wird dabei durch eine Vergleichskondensatormeßkammer geführt, die stetig entleert wird und stets bis zum Überlauf gefüllt gehalten ist.

Für die Kapazitätsvergleichsmessung eignen sich verschiedene Schaltungsanordnungen, bei denen vorteilhaft stets die gleiche Meßvorrichtung zur Messung beider Kapazitäten dient, so daß systematische Fehler sich weitgehend kompensieren.

Eine erste Meßanordnung ist durch eine Trägerfrequenz Meßbrücke gekennzeichnet, deren Eingang alternativ auf die beiden zu messenden Kapazitäten umgeschaltet wird und deren zugehörige Meßergebnisse miteinander in einem Rechner verglichen werden.

Eine weitere vereinfachte Schaltungsanordnung besteht darin, daß die beiden zu vergleichenden Kapazitäten als Brückenglieder in eine Trägerfrequenzbrücke geschaltet werden, so daß das Brückenausgangssignal ein Maß zur Bestimmung des Kapazitätsverhältnisses ist.

Eine andere sehr einfache Art der Kapazitäten- Verhältnismessung ist in einer Schaltung angewandt, in der eine Kapazitätsaufladung der Kapazitäten mit einer Stromquelle alternierend bis zu einer Vergleichsspannung vorgenommen wird, wobei die jeweils erforderlichen Ladezeiten der beiden Meßkondensatoren gemessen werden, die dann zu vergleichen sind.

Eine besonders schnelle und genaue Messung erbringt eine weitere Schaltungsanordnung, bei der die beiden zu vergleichenden Kapazitäten in den Zweigen einer Brückenschaltung angeordnet sind. Dabei erfolgt eine unmittelbare Vehältnisbildung, die dann noch nach dem bekannten funktionalen Zusammenhang der Brückenschaltung auf das Kapazitätenverhältnis zurückzuführen ist, was durch eine einfache Formelberechnung oder Tabellenzuordnung erfolgen kann. Diese funktionale Transformation läßt sich mit der ohnehin notwendigen funktionalen Verknüpfung des Kapazitätenverhältnisses mit der Funktion des geschichteten Dielektrikums kombinieren, so daß jeweils nur eine gemeinsame Verarbeitung eines Meßergebnisses durch einen Tabellenzugriff oder eine Funktionsberechnung erforderlich ist.

In einer vorteilhaften Ausführung einer Brückenmeßschaltung, die beide Meßkondensatoren in einem Meßzweig enthält, ist diese mit einer alternierenden Brückenspannung gespeist, die jeweils dann die Polarität wechselt, wenn jeweils ein oberer oder ein unterer vorgegebener Toleranzpunkt des Brückenabgleiches erreicht ist, wobei die jeweiligen Zeiten der beiden geschalteten Polaritäten gemessen werden, die dann ins Verhältnis gesetzt werden, woraus sich das Brückenverhältnis ergibt.

Um möglichst genaue Meßergebnisse zu erzielen, ist die eine der Meßelektroden jedes Meßkondensators mit einer Schutzelektrode umgeben, die dem Potential der Meßelektrode elektronisch nachgeführt ist. Durch eine geeignete Ausbildung der Schutzelektrode in bekannter Weise wird gewährleistet, daß in dem Meßfeld ein annähernd paralleler Feldlinienverlauf gegeben ist. Dadurch ergibt sich eine eindeutige funktionale Beziehung zwischen der Schichtungshöhe des zu messenden Dielektrikums und der Kapazität. Diese eindeutige Beziehung dient der Umrechnung des jeweils originär gewonnenen Verhältniswertes.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind anhand der Fig. 1 bis 8 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Vertikalschnittes einer Meßkondensatorenanordnung mit einer ersten Meßschaltung.

Fig. 2 zeigt eine weitere Meßschaltung, bei der die Meßkondensatoren in einen Brückenzweig gelegt sind.

Fig. 3 zeigt eine dritte Meßschaltung mit einem Rampenintegrator und einem Digitalisierungszähler.

Fig. 4 zeigt eine vierte Meßschaltung mit einer Brückenanordnung der Meßkondensatoren.

Fig. 5-7 zeigen weitere Meßkondensatoranordnungen.

Fig. 8 zeigt den Kapazitätseinfluß Feuchte in Weizen.

Fig. 1 zeigt den oberen Teil eines Getreideelevators (E), dessen Gehäuse (G) eine Ablenkung des endseitig herausgeschleuderten Körnerstromes (KS) in den ersten Meßkondensator (C1) bewirkt, so daß der Körnerstrom (KS) darin ein geschichtetes Dielektrikum quer zu dem Feldlinienverlauf bildet. Der Kondensator (C1) ist von einer Schutzringelektrode (SR1) umgeben, die mit dem Meßbelag (MC1) potentialmäßig mitgeführt ist. Die Gegenelektrode (MC1′) kann isoliert angeordnet oder auch geerdet sein, je nach der angeschlossenen Meßanordnung.

Abstromseitig ist in dem Körnerstrom ein zweiter Meßkondensator (C2) angeordnet, der einen so geringen unteren Auslauf aufweist, daß er im kontinuierlichen Betrieb stets bis zum Überlaufen mit Körnern gefüllt ist. Auch bei diesem Kondensator (C2) ist die Meßelektrode (MC2) mit einer Schutzringelektrode (SR2) umgeben. Die Bezugselektrode (MC2′) ist mit der Bezugselektrode (MC1′) elektrisch verbunden oder gemeinsam geerdet. Die beiden Schutzringelektroden (SR1, SR2) sind elektrisch miteinander verbunden, so daß nur ein Impedanzwandler als ein Potentialnachführungsverstärker (NF) erforderlich ist.

Am Antrieb des Elevators (E) ist ein Tachometer (TM) angeordnet, der ein Meßsignal (Sv) der mittleren Körnerstromgeschwindigkeit (v) signalisiert.

Eine erste Kapazitäten-Meßvorrichtung (M1) ist über einen steuerbaren Umschalter (SU1) wechselweise an die Meßelektroden (MC1, MC2) der beiden Meßkondensatoren (C1, C2) angeschlossen, die jeweils in einem Ast einer Brückenschaltung (B1) liegen, in deren anderen Ästen ein Standardkondensator (Co) und zwei Brückenwiderstände (RB1, RB2) liegen. Die Brücke (B1) ist von einem Trägerfrequenzoszillator (TF) gespeist, und in der anderen Diagonalen mit einem Verstärker (V1) beschaltet, dessen Ausgangssignal nacheinander einen Bandpaß (BP1), einen phasenselektiven Gleichrichter (PG) und danach einen Tiefpaß (TP) durchläuft, dessen Ausgangssignal, das abhängig von der Umschalterstellung das Brückenmeßsignal der einen oder anderen Meßkapazität repräsentiert, einem Auswerteprozessor (MP) zugeführt ist, der den Umschalterstellungen zeitlich zugeordnet dieses Signal in einem Analog-Digitalumsetzer (ADU) digital umsetzt. Die so gewonnenen Kapazitätsbrückenmeßwerte werden dann brückenfunktionsmäßig umgeformt und programmgemäß ins Verhältnis gesetzt. Dieses wird der funktionalen Verknüpfung gemäß des Kapazitätsverlaufes eines geschichteten Dielektrikums transformiert, so daß das relative Massenverhältnis in den beiden Meßkondensatoren sich ergibt. Dieses Massenverhältnis wird mit dem jeweiligen Wert des Geschwindigkeitssignals (Sv) und einem vorgegebenen, spezifischen Dichtewert (SD) mulitpliziert, wodurch sich der Massestromwert (MSW) ergibt, der einer Anzeigevorrichtung (A) direkt oder über einen Integrator (I) zugeführt wird.

Das Signal (Sv) des Geschwindigkeitssensors entspricht einer mittleren Geschwindigkeit der Körner, die beim Übergang der Elevatorschaufeln aus der Hubbewegung in die Drehbewegung mit dem Abstand von der Wendeachse zunimmt. Da die Körner durch ihre Zentrifugalkraft nach außen getrieben werden, interagieren sie derart durch Stoß, daß sie eine mittlere Geschwindigkeit (v) geringer Streubreite annehmen.

Da die Funktionen der Schichtung und Homogenisierung des Körnerstromes nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich gewährleistet ist, überwacht der Auswerteprozessor (MP) die Einhaltung dieses zulässigen Geschwindigkeitsbereiches durch periodische Vergleiche des Geschwindigkeitssignalwertes (Sv) mit einem oberen und einem unteren Grenzwert, bei deren Über- bzw. Unterschreitung er eine Alarmmeldung ausgibt.

Der Dichtewert (SG), der u. a. feuchtigkeitsabhängig ist, kann von Zeit zu Zeit ermittelt und in den Auswerteprozessor (MP) eingegeben werden, oder er wird mittels einer Wägezelle laufend gravimetrisch bestimmt und dem Prozessor (MP) kontinuierlich zugeführt. Beispielsweise eignet sich der Meßkondensator (C2) als Wägezelle, wenn er in einer Waagevorrichtung (WV) angeordnet ist. Das Wägesignal wird einer Mittelwertbildung über solche Zeiträume unterzogen, daß Schwankungen, die durch Erschütterungen infolge der Fahrt der Erntemaschine auftreten, ausgeglichen werden.

Fig. 2 zeigt eine besondere Ausgestaltung einer Meßschaltung (H2), bei der ein Umschalter entfällt und die beiden ins Verhältnis zu setzenden Kapazitäten (C1, C2) in zwei benachbarten Brückenzweig angeordnet sind. Die Bezugselektrode (MC1′) des ersten Meßkondensators (C1) liegt an Massepotential, so daß die Elevatorwandung als Elektrode dient. Die Bezugselektrode (MC2′) des anderen Kondensators (C2) ist mit dem Trägerfrequenzgenerator (TF) verbunden; diese Elektrode (MC2′) ist zweckmäßig mit einer Abschirmung (AS) umgeben, die mit der Schutzelektrode (SR) oder mit Masse verbunden ist.

Die beiden Meßelektroden der Meßkondensatoren (C1, C2) sind mit dem Eingang des Impedanzwandlers (NF1) verbunden, der die Schutzringe und Zuleitungsabschirmung speist. Vom Ausgang des Impedanzwandlers (NF1) ist das Signal auf den Brückenverstärker (V1) geführt, dessen anderer Eingang an dem Widerstandsbrückenzweig (RB1, RB2) angeschlossen ist. Das verstärkte Brückensignal wird über den Bandpaß (BP1) dem phasenselektiven Gleichrichter (PG) zugeführt, der andererseits über einen Komparator (CP) mit der Trägerfrequenz mittels eines Schalttranssistors (T) gesteuert ist. Dem phasengesteuerten Gleichrichter ist eine Tiefpaßschaltung (TP) nachgeschaltet, die als ein mit einem Hochpaß gegengekoppelter Verstärker ausgebildet ist, dessen Ausgangssignal (VS) dem Auswerteprozessor zugeführt wird, das unmittelbar einer Brückenfunktion des Kapazitätenverhältnisses repräsentiert, das über die Brückenfunktionsformel und die Funktion des geschichteten Dielektrikums in einen relativen Füllungsgrad des ersten Meßkondensators (C1) umzusetzen ist, woraus durch Multiplikationen mit dem Gechwindigkeitswert der Körnerstrom und weiter mit dem Dichtewert der Massestrom zu bestimmen sind, der dann durch eine Integration in die in dem jeweiligen Integrationszeitraum durchgelaufene Gesamtmasse zu überführen ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Meßschaltung (M3), die bei einfachem Aufbau eine Digitalisierung der Kapazitätswerte der beiden Meßkondensatoren (C1, C2) erbringt.

Die Meßelektroden sind mit Schutzringen umgeben, die an den Impedanzwandler (NF) angeschlossen sind. Die Referenzelektroden der Meßkondensatoren sind über einen Umschalter (US1) wahlweise gesteuert mit dem Eingang der Meßschaltung (M3) verbunden. Dieser wird von einer Stromquelle (IG) gespeist und führt auf einen Rampensignalverstärker (RV), dessen Ausgang auf einen Vergleicher (VV) führt, dessen anderer Eingang mit einer Vergleichsspannung (UV) gespeist ist.

Der Auswerteprozessor (MP1) ist eingangsseitig mit einem Ausgang eines Zählers (CT) verbunden, der von Taktsignalen (CL) laufend am Zählereingang beaufschlagt ist. Der Ausgang des Vergleichers (VV) steuert jeweils dann, wenn die Rampenspannung der Vergleichsspannung (UV) entspricht, einen Interrupteingang (IR) des Auswerteprozessors (MP1) an. Dieser steuert daraufhin über einen Löschtransistor (LS) eine Entladung der Meßkapazität, die Verbringung des Umschalters (US1) in die jeweils andere Stellung, die Übernahme des Zählerinhalts in einen internen Speicher und ein Rücksetzen (RS) des Zählers (CT). Auf die gleiche Weise wird beim nächsten Erreichen der Vergleichsspannung (UV) ein weiterer Zählerstand in einen anderen internen Speicher übernommen, worauf jeweils die beiden gwonnenen Zählerstände, die den beiden Kapazitätswerten unmittelbar entsprechen, ins Verhältnis gesetzt werden. Der errechnete Verhältniswert wird dann der Funktion des geschichteten Dielektrikums gemäß weiterverarbeitet und dann mit dem Geschwindigkeitswert (Sv) und dem Dichtewert (SD) verknüpft, so daß sich jeweils der Massestrom ergibt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Meßschaltung (M4) bei der die Meßkondenstoren (C1, C2) mit einem Widerstandsnetzwerk (RO1, PO, RO2; RV1, RE, RV2; PE, REV) in einer Brückenschaltung angeordnet sind, die von einer in ihrem Impulsbreitenverhältnis steuerbaren Impulsgenerator (PG) gespeist ist. Die Meßelektroden der Meßkondensatoren (C1, C2) sind zusammengeschaltet und von Schutzringelektroden eingefaßt, die von dem Impedanzwandler (NF) mit dem Potential der Meßelektroden versorgt sind. Dieser ist außerdem über eine hochohmige Filterschaltung (FI) mit dem Widerstandsbrückenpunkt verbunden, wodurch eine Gleichspannungsüberlastung des Brückenverstärkers (V1′) durch Leckströme vermieden wird. Da der Spannungsteilerstützpunkt ebenso wie die Abschirmung der Zuleitung zu den Meßelektroden über den Trennkondensator der Filterschaltung wechselstrommäßig dem Meßelektrodenpotential nachgeführt wird, ist die effektive Belastung in der Meßdiagonalen der Brückenschaltung durch diesen Spannungsteiler selbst bei sehr kleinen Aufnahmekapazitäten von wenigen Pikofarad vernachlässigbar klein.

Das Brückenpotentiometer (PO) dient dem Mittelpunktabgleich des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung. Der in dem zweiten Widerstandszweig (RV1, RE, RV2) enthaltene mittlere Widerstand (RE) bestimmt im Verhältnis zu den beiden anderen Widerständen den Arbeitsbereich der Schaltung in Verbindung mit der parallelen Potentiometerschaltung (PE, REV), durch die die Bereichsweite in Grenzen einstellbar ist.

Die Endpunkte des Bereichswiderstandes (RE) sind über wechselseitig geöffnet bzw. geschlossen gesteuerte elektronische Schalter (S1, S2) an den Verstärker (V1′) geführt, der andererseits mit dem Signal der Meßelektroden beschaltet ist, und dessen Ausgangssignal über einen Demodulator (D), einen Tiefpaß (TP) einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) beaufschlagt, der einen ersten Zähler (Z1) einer Zeitteilerschaltung zählend beaufschlagt. Ein weiterer Zähler (Z2) der Zeitteilerschaltung ist von einem Testfrequenzgenerator (FFP) ständig zählend beaufschlagt, der außerdem den Demodulator (D) und den Pulsgenerator (PG) steuert. Die beiden Zählerstände der Zähler (Z1, Z2) werden laufend in einem Vergleicher (VG) verglichen, dessen Ausgang abhängig vom Vergleichsergebnis jeweils den einen oder anderen der Schalter (S1, S2) aufsteuert. Mit jeder Umsteuerung wird ein Interruptsignal (IR) an den Auswerteprozessor abgegeben, der dann die Zählerstände übernimmt und löscht. Aus den aufeinanderfolgend übernommenen Zählerständen ergeben sich die jeweiligen Kapazitätenverhältnisse gemäß der Brückenfunktion, die dann, wie bei den anderen Beispielen beschrieben, ausgewertet werden.

Diese Art der Schaltung ermöglicht eine sehr hohe zeitliche Auflösung von Schwankungen im Körnerstrom, so daß sogar beim Durchlauf einer Elevatorschaufel ein detailliertes Masseprofil durch häufiges Messen gewonnen werden kann. Aus diesen Meßwerten wird ein Mittelwert durch Integration der einzelnen Durchflußwerte über zahlreiche Schaufeldurchläufe gebildet und dann der Mittelwert angezeigt oder weiterverwertet.

Es liegt im Rahmen des fachmännischen Könnens, Kombinationen aus den dargestellten Schaltungen nach Zweckmäßigkeit zu bilden.

In Fig. 5, die ein Detail aus Fig. 1 zeigt, ist im Elevatorkopf eine Meßstrecke aufgebaut, bei der unter dem Einfluß von Fliehkräften an der Außenwand eine in ihrer Schichthöhe durchsatzproportionale Schichtung des Körnerstroms festzustellen ist. Die auf diese Weise entstandene Körnerschicht bildet mit der angrenzenden Luftschicht das geschichtete Dielektrikum eines Plattenkondensators, der aus der mit einem Schutzring (SR1) versehenen Meßelektrode (MC1) und aus der auf Massepotential liegenden Gegenelektrode (MC1′) besteht. Bei dieser Anordnung ist bei entsprechender geometrischer Dimensionierung der Breite der Schutzringelektrode und der Meßelektrode (MC1) vor letzterer ein weitgehend homogenes elektrisches Feld ausbildet, das eine hochgradig definierte, näherungsweise lineare, elektrisch meßtechnische Erfassung der Schichthöhe des Körnerstroms garantiert. Unter der Annahme, daß das elektrische Feld quer zur Stromrichtung der Körner unendlich ausgedehnen sei; d. h., daß seitlich keine Elektrodenwandungen eine Potentialbegrenzung vornehmen würden, bilden sich die unvermeidlichen Feldinhomogenitäten nur vor der Schutzringelektrode (SR1) aus. Sie lassen sich so in sehr einfacher Weise durch eine Potentialnachführung mittels des Impedanzwandlers (NF) problemlos aus der Kapazitätserfassung eliminieren. Es ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Schutzringelektrode (SR1) durch den Impedanzwandler (NF) bis auf eine Fehlerspannung von maximal 1 µV ständig exakt der am Meßkondensator (MC1) anliegenden Meßspannung (Um) nachgeführt ist, vor dem sich eine homogene Feldverteilung für die Verschiebungsstromdichtelinien (Dm) ergibt. Des weiteren ist in der Fig. 5 erkennbar, daß die inhomogenen Verschiebungsstromdichtelinien (Ds) ohne jeden relevanten Einfluß auf die Ausbildung der Meßspannung (Um) bleiben.

Da die elektrischen Feldlinien den Verschiebungsstromdichtelinien (Dm) streng parallel sind, ergibt sich für die beiden Schichten des Dielektrikums mit der Körnerschichtdicke (h) umd der Luftschichtdicke (H-h) und den zugehörigen gemittelten elektrischen Feldstärken (E) nach der Beziehung

eine relative Dielektrizitätskonstante (Epsilon_rK) gemäß den Formeln für geschichtete Dielektrika, wobei die Indizes K für Körner und L für Luft verwandt sind. Eine kapazitive Bestimmung der Körnerschichthöhe (h) ist damit leicht möglich, da diese näherungsweise ausschließlich von der relativen Dielektrizitätskonstante der Körner bestimmt wird.

Eine weitere Anordnung der Meßelektrode (MC1) zeigt Fig. 6, die die seitliche Begrenzung durch ein auf Massepotential liegende Einhüllung (EK) berücksichtigt. Dort ist eine Verteilung der Verschiebungsstromdichtelinien (Dm, Ds) gegeben, wie sie durch deren Feldlinien qualitativ dargestellt ist. Man kann diesem Bild entnehmen, daß auch, wenn die seitliche Feldbegrenzung durch eine näherungsweise kastenförmig ausgebildete Einhüllung (EK) des Meßraumes besteht, sich ein näherungsweise homogenes Feld vor der Meßelektrode (MC1) ergibt. Insofern besteht zwischen den Anordnungen gemäß Fig. 5 und Fig. 6 kein grundsätzlicher Unterschied, da auch hier die inhomogenen Zonen durch den Impedanzwandler (NF) in Verbindung mit der Schutzring- Elektrode (SR) von der Kapazitätserfassung ausgeschlossen werden.

Fig. 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Meßelektrodenanordnung. Bei dieser ist zur Vereinfachung die Kopfwandung direkt durch die Meßelektrode (MC1) sowie die seitlich begrenzenden Schutzringelektroden (SR1) ersetzt. Eine gesonderte Gegenelektrode entfällt, da die umgebenden Gehäuse- und Elevatorteile (EK1) diese unmittelbar bilden. Dadurch ist der Elevatorbereich frei von Meßbauteilen. Wie der Fig. 7 außerdem zu entnehmen ist, ist zwar der Verlauf der Verschiebungsstromdichtelinien vor der Meßelektrode nicht ganz homogen, sondern geringfügig gekrümmt; die wesentlichen Krümmungen dieser Feldlinien liegen jedoch in der Luftschicht der Meßstrecke, die an die Körnerschicht angrenzt. Die dortige Feldinhomogenität beeinflußt die Meßgenauigkeit praktisch nicht. Die Randzonen unterhalb der Schutzringelektroden (SR1′) sind wie bei den anderen Elektrodenanodnungem nach Fig. 5 und 6 auch innerhalb der Körnerschicht inhomogen; aber mit Hilfe des Impedanzwandlers (NF) wird der Einfluß dieser Inhomogenitätszonen auf die Ausbildung der Meßspannung (Um) durch die Spannungsnachführung vollständig eliminiert.

Die näherungsweise homogene Feldverteilung innerhalb der Körnerschicht ist unmittelbar unterhalb der Meßelektrode (MC1) gegeben. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, daß bei geeigneter Dimensionierung der Breite der Schutzringelektroden (SR1′), deren zur Gegenelektrode gerichtete Oberfläche beispielsweise größenmäßig etwa 1/4 bis 1/2 der aktiven Meßelektrodenoberfläche entspricht, der Kennlinienverlauf von der Meßspannung (Um) über der Körnerschichtdicke (h) mit dem entsprechenden Kennlinienverlauf von einer Anordnung gemäß Fig. 6 nahezu vollständig übereinstimmt. Lediglich der Meßeffekt ist um einige Prozent geringer, wenn die Gesamtanordnung gleiche Abmessungen aufweist.

Der zweite Meßkondensator (C2) läßt sich außer in einem ständigen Teilmassestrom auch in einem periodisch zu entleerenden Vorratstank anordnen, falls das Schüttgut über einen entsprechend langen Zeitraum bezüglich seiner kapazitiven gleichartig Eigenschaft ist. Bei einer derartigen Anordnung ist durch eine Vorabprüfung des Kapazitätsmeßwertes festzustellen, ob der Meßkondensator bereits gefüllt ist, d. h. der Vorratsbehälter schon entsprechend der Lage des Meßkondensators teilweise gefüllt ist, da bis zu diesem Zeitpunkt der Kondensator eine feste vorbekannte Anfangskapazität aufweist, die durch das Dielektrikum Luft bestimmt ist. Bei dem Kapazitätenvergleich mit dem Meßkondensator mit dem geschichteten Dielektrikum wird vorab, solange der zweite Meßkondensator noch nicht gefüllt ist, der Massestrom unter Berücksichtigung erfahrungsgemäßer Eichwerte der kapazitiven Eigenschaften für das gegebene Schüttgut näherungsweise bestimmt. Sobald der Meßkondensator in dem Vorratsbehälter gefüllt ist, und der aktuelle materialspezifische Vergleichswert der Kapazität vorliegt, was durch einen Vergleich des Kapazitätswertes auf seine zeitlich annähernde Konstanz und bei Überschreitung eines vorgegebenen Kapazitätsschwellwertes jeweils festgestellt wird, erfolgt die automatische Berücksichtigung der kapazitiven Materialeigenschaft. Darüberhinaus werden die vorher gemessenen und erfahrungsgemäß näherungsweise bestimmten Massewerte, die zwischengespeichert worden sind, entsprechend dem gemessenen kapazitiven Materialbeiwert korrigiert.

Die Messung der Kapazität des vollständig gefüllten zweiten Kondensators wird weiterhin vorteilhaft dazu genutzt, gemäß einer Eichfunktion, die den Zusammenhang des Feuchtigkeitsgehaltes des Schüttgutes in Abhängkeit von der gemessenen Kapazität angibt, die jeweilige Feuchtigkeit des Meßgutes zu bestimmen und durch eine Anzeige oder einen Ausdruck auszugeben. Ebenso wie die Feuchtigkeit eines Schüttgutes läßt sich auch von einem anders zusammengesetzten Zweistoffgemisch die relative Zusammensetzung ermitteln, wenn die Dielektrizitätskonstanten der beiden Stoffe verschieden ist und die demgemäße Eichkurve des Kondensators bezüglich der Stoffgemische vorliegt. Voraussetzung ist dabei, daß das Zweistoffgemisch homogen ist, da ansonsten kein eindeutiger Funktionszusammenhang des Mischungsverhältnisses zur Kapazität besteht. In Erntemaschinen läßt sich dieses Meßverfahren für die Bewertung eines Mischfruchterntegutes verwenden.

Den funktionalen Zusammenhang der Dielektrizitätskonstanten Epsilon abhängig von dem Feuchtegehalt U für Weizen zeigt die Fig. 8. Derartige funktionale Zusammenhänge finden sich in Kutzbach: Lehrbuch der Agrartechnik Bd. 1, Allgemeine Grundlagen, Ackerschlepper, Fördertechnik. Für andere Materialien lassen sich entsprechende Funktionen des Kapazitätszusammenhanges des Meßkondensators von den Stoffeigenschaften bzw. -zusammensetzungen ermitteln. Die Umrechnung der gemessenen Kapazitätswerte läßt sich über Tabellenzugriffe und evtl. eine Interpolation zwischen den gespeicherten Werten leicht vornehmen. Somit läßt sich mit der dargestellten Funktion die Feuchtigkeit aus den Kapazitätenverhältnissen ermitteln, die sich aus der Kapazität des jeweils gefüllten Kondensators und einer einmaligen Messung der Kapazität mit völlig trockenem Gut der gleichen Art ermitteln.

Erfindungsgemäße Meßvorrichtungen lassen sich sowohl in dem Haupterntegutstrom anordnen als auch in Nebenströmen, z. B. des einlaufenden Schnittgutes als auch in der Strohbahn.

Auch andere Erntemaschinen als Mähdrescher, z. B. Stroh-, Gras- oder Maishächsler oder Hau-, Stroh- oder Grasaufnehmer lassen sich mit einer derartigen Meßvorrichtung bestücken.

Der zweite Meßkondensator, der vollständig gefüllt gehalten wird, läßt sich vorteilhaft als ein Zylinderkondensator ausgestalten, wodurch nur geringe Randzonenbereiche mit inhomogener Feldverteilung gegeben sind.

Um eine Verfälschung der Kapazitätsmessung durch einen ohmschen Leitungsanteil zu vermeiden, sind die Oberflächen der Meßelektroden und ggf. der Schutzringe mit einer abriebfesten isolierenden Beschichtung versehen.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Messung eines Massestromes von Meßgut mit einem zu seiner Umgebung unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, insbesondere von Schüttgut, wobei der Massestrom durch einen Meßkondensator (C1), dessen Kapazität laufend mit einer Meßvorrichtung (M1-M4) gemessen wird, so hindurchgeleitet wird, daß er ein geschichtetes Dielektrikum mit einer über seinen Querschnitt annähernd homogenen Geschwindigkeitsverteilung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Massestrom am Ausgang eines Elevators (E), der mit annähernd konstanter Geschwindigkeit betrieben wird, an einer gekrümmten Gehäusewandung (G) so umgelenkt wird, daß er das geschwindigkeitshomogene, geschichtete Dielektrikum in dem daran angeordneten Meßkondensator (C1) bildet
• - dessen einer Kondensatorbelag (MC1, MC1) massestromseitig angeordnet ist und
• - dessen erste Kapazität zu einer zweiten Kapazität eines zweiten Meßkondensators (C2) laufend in ein Kapazitätsverhältnis gesetzt wird, das eine Anzeige und/oder einer Weiterverarbeitung zugeleitet wird, und daß die zweite Kapazität mit der gleichen Meßvorrichtung (M1-M4) an dem zweiten Meßkondensator (C2) ermittelt wird, wenn dieser mit dem vorliegenden Meßgut gänzlich gefüllt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Meßkondensator (C2) derart zugeführt wird, daß der Massestrom größer als ein Masseabfluß ist, so daß der zweite Meßkondensator (C2) in einem kontinuierlichen Betrieb überlaufend ganz gefüllt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßkondensator (C2) in einem Schüttguttank angeordnet ist, dem der Massestrom zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßkondensator (C2) aus einer Parallelschaltung mehrerer Meßkondensatoren besteht, die an unterschiedlichen Stellen in dem Schüttguttank angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßkondensator (C2) ein vertikaler Zylinderkondensator ist, der stirnseitig geöffnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer der Kondensatorbelege (MC1, MC2) mindestens eines der beiden Meßkondensatoren (C1, C2) mit jeweils einer Schutzringelektrode (SR, SR1, SR1′, SR2) eingefaßt ist, die durch einen Impedanzwandler (NF) mit dem eingefaßten Kondensatorbeleg (MC1, MC2) auf gleichem Potential gehalten ist, so daß dieser ein annähernd homogenes elektrisches Meßfeld zum anderen Kondensatorbeleg (MC1′, MC2′) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringelektrode (SR) und die davon umgebene Meßelektrode (MC1) luftseitig des geschichteten Dielektrikums angeordnet sind und eine Einhüllung (EK) körnerseitig und seitlich die Gegenelektrode bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringelektrode (SR1′) und die davon umgebene Meßelektrode (MC1) körnerseitig des geschichteten Dielektrikums angeordnet sind und die Gegenelektrode durch eine luftschichtseitige Einhüllung (EK1) gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringelektrode (SR1′) mindestens 1/4 der körnerseitigen Grenzflächen des Körnerstromes seitlich der Meßelektrode (MC1) symmetrisch bedeckt.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßkondensatoren (C1, C2) in einem Zeitraster über einen gesteuerten Umschalter (SU1) abwechselnd mit der Meßvorrichtung (M1) verbunden sind, die aus einer Brückenschaltung (B1) besteht, die mit einer Trägerfrequenz-Spannung (TF) gespeist ist und deren Ausgangssignal nacheinander über einen Verstärker (V1), einen Bandpaß (BP1) einen phasenselektiven Gleichrichter (PG), einen Tiefpaß (TP) und einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) einem Auswerteprozessor (MP) zugeführt ist, der in dem Zeitraster einen so gewonnenen jeweiligen Brückensignalwert übernimmt und jeweils zugeordnet zu dem jeweils ausgewählten Meßkondensator (C1, C2) speichert sowie einer Brückenfunktion gemäß die diesem Brückensignalwert jeweils zugehörige Kapazität bestimmt und aus deren Kapazitäten das Kapazitätenverhältnis jeweils ermittelt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßkondensatoren (C1, C2) einen Zweig einer frequenzgespeisten Brückenschaltung bilden, dessen anderer Zweig aus Widerständen (RB1, RB2) besteht und deren Ausgangssignal nacheinander über einen Verstärker (V1), einen Bandpaß (BP1) einen phasenselektiven Gleichrichter (PG) und einen Tiefpaß (TP) als ein Verhälntnissignal (VS) einem Analog-Digitalwandler eines Auswerteprozessors zugeführt ist, der dessen Verhältnissignalwert periodisch abfragt und einer Brückenfunktion gemäß in das Kapazitätenverhältnis wandelt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßkondensatoren (C1, C2) über einen steuerbaren Umschalter (US1) alternierend mit einer Stromquelle (IG) sowie einem Rampenverstärker (RV) verbunden sind, dem ein Schwellwertdiskriminator (VV) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal jeweils, wenn das Rampenverstärkersignal eine vorgegebene Schwellspannung (UV) erreicht hat, unmittelbar oder mittelbar den jeweils angeschalteten Meßkondensator (C1, C2) über einen Löschschalter (LS) entlädt, den Umschalter (US1) in die jeweils andere Stellung verbringt, den jeweiligen Inhalt eines Zeitzählers (CT) in einen ersten Speicher eines Auswerteprozessors (MP1) überträgt und dann den Zeitzähler (CT) zurücksetzt, und daß dann, wenn das Rampenverstärker- Signal erneut die vorgegebene Schwellspannung (UV) erreicht hat, durch das Schwellwertdiskriminatorsignal der jeweilige Inhalt des Zeitzählers (CT) in einen zweiten Speicher des Auswerteprozessors (MP1) übernommen wird und dann aus den beiden genannten Zeitzählerinhalten das Kapazitätenverhältnis gebildet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßkondensatoren (C1, C2) einen ersten Zweig einer impulsgesteuerten Brückenschaltung bilden und ein Widerstandsnetzwerk (RO1, RPO, RV2; RV1, RE, RV2; PE, REV) den zweiten Brückenzweig bildet, das einen Bereichwiderstand (RE) enthält, dessen beide Enden umschaltbar mit dem einen Eingang eines Brückenverstärkers (V1′) verbunden sind, dessen anderer Eingang mit dem anderen Brückenzweig verbunden ist, und dessen Ausgang über einen taktgesteuerten Demodulator (D) und einen Tiefpaß (TP) einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zugeführt ist, der einen ersten Zähler (Z1) einer Zeitteilerschaltung beaufschlagt, dessen Inhalt in einem Vergleicher (VG) mit einem Zählerinhalt eines festtaktgesteuerten zweiten Zählers (Z2) einer Zeitteilerschaltung verglichen wird, dessen Ausgang eine Eingangsumsteuerung sowie ein Auslesen der Zählerstände in einen Auswerteprozessor bewirkt, der aus den jeweils aufeinanderfolgenden Zählerständen unter Berücksichtigung einer Brückenfunktion jeweils das Kapazitätenverhältnis ermittelt.

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteprozessor (MP, MP1) das Kapazitätenverhältnis mit einer Kapazitätsfunktion des geschichteten Dielektrikums verknüpft und dadurch den Füllungsgrad des ersten Meßkondensators (C1) bestimmt, daß dem Auswerteprozessor (MP, MP1) ein Geschwindigkeitssignal (Sv) und ein Dichtesignal (SD) zugeführt ist, mit denen der jeweils bestimmte Füllungsgrad multipliziert wird, wodurch ein jeweiliger Massestromwert gebildet ist, und daß die aufeinanderfolgend gebildeten Massestromwerte über zahlreiche Messungen gemittelt und zur Anzeige gebracht werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal (Sv) von einem Tachometer (TM) am Elevator (E) gewonnen wird und dieses von dem Auswerteprozessor (Mp, MP1) auf eine Einhaltung eines vorgegebenen Toleranzbereiches überwacht wird, bei dessen Verlassen ein Alarm gemeldet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Meßkondensator (C2) auch eine Wägezelle ist, die mit einer Wägevorrichtung (WV) verbunden ist, die das Dichtesignal (SD) abgibt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückensignalfunktion und die Kapazitätsfunktion des geschichteten Dielektrikums zu einer Funktion zusammengefaßt sind und so gemeinsam auf den Brückenverhältniswert angewandt werden, so daß dadurch der Füllungsgrad bestimmt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom einem Meßkondensator (C2) derart zugeführt wird, daß er überlaufend gefüllt ist und er von einem Teilmassestrom durchflossen ist, und die Kapazität des Meßkondensators (C2) von einer Meßvorrichtung ermittelt und so mit einer Kapazitäts-Feuchtigkeitsgehalts-Funktion oder mit einer Zweistoff-Verhältnis-Kapazitäts-Funktion verknüpft wird, daß ein Feuchtigkeitsgehalt oder ein Zweistoffverhältnis ermittelt wird, der oder das dann zu einer Anzeige gebracht wird.

19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Meßelektroden (MC1, MC2) und ggf. dessen Schutzring (SR, SR1, SR2) mit einer abriebfesten Isolatorschicht massestromseitig beschichtet ist.