Springmann, Thorsten (Am Schlierbach 1, Schopfheim, 79650, DE)
Effner, Christian (Bromenackerweg 42, Weil am Rhein, 79576, DE)
Leisinger, Ralf (Teichmatt 27, Wieslet, 79699, DE)
Neuhaus, Joachim (Im Wolfischbühl 29/2, Steinen, 79585, DE)
Springmann, Thorsten (Am Schlierbach 1, Schopfheim, 79650, DE)
Effner, Christian (Bromenackerweg 42, Weil am Rhein, 79576, DE)
Leisinger, Ralf (Teichmatt 27, Wieslet, 79699, DE)
Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten (R) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3), - das eine im Messbetrieb horizontal in einen mit mindestens einem
Füllgut (A, B) befüllbaren Behälter (1 ) eingeführte a!s Elektrode dienende Sonde (5) aufweist, die zusammen dem als Gegenelektrode (13) dienenden Behälter (1 ) einen Kondensator bildet, dessen Kapazität im Messbetrieb von dem Messgerät (3) zu messen ist, - die das kapazitive Messgerät (3) bei leerem Behälter (1 ) oder bei vollständig mit einem einzigen Füllgut (A, B) bedeckter Sonde (5) messen würde, bei dem
- näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien (F) eines elektrischen Feldes ermittelt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde (5) und der Gegenelektrode (13) aufgrund einer zwischen Sonde (5) und
Gegenelektrode (13) anliegenden Spannung ausbilden würde,
- die Sonde (5) in zylindrische Segmente (S1 , S2, ... SN) unterteilt wird,
- für jedes Segment (Sx) eine mittlere Feldlinienlänge (LFx) bestimmt wird, die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feldlinien (Fx) des elektrischen Feldes aufweisen, und
- der Beitrag dieses Segments (Sx) zum Referenzwert (R) näherungsweise unter der Annahme bestimmt wird, dass das jeweilige Segment (Sx) zusammen mit einem Bereich (Wx) der Gegenelektrode (13) zu dem die von diesem Segment (Sx) ausgehenden Feldlinien (Fx) führen einen Zyiinderkondensator bildet,
-- dessen innere Elektrode durch das Segment (Sx) und dessen äußere
Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge (LFx) entsprechenden Abstand umgebende hohlzylindrische Elektrode gebildet ist, - der bei leerem Behäiter (1 ) leer ist bzw. der bei vollständig mit dem
Füllgut (A 1 B) bedeckter Sonde (5) vollständig mit dem Füllgut (A, B) gefüllt ist, und
- der Referenzwert (R) anhand einer Mediumskapazität (CM) bestimmt wird, die der Kapazität einer Parallelschaltung der einzelnen Zylinderkondensatoren entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem
- die Sonde (5) einen in den Behälter (1 ) hinein ragende inaktiven Sondenabschnitt (15) aufweist, und
- der inaktive Sondenabschnitt (1 5) für die Bestimmung des Verlaufs der Feldlinien (F) als Teil der Gegenelektrode (13) betrachtet wird.
5 3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem
- die Sonde (5) von einer Isolation (19) umgeben ist,
- eine Isolationskapazität (Ci) bestimmt wird, und
- der Referenzwert (R) anhand der Kapazität einer Serienschaltung bestimmt wird, in der die isoiationskapazität (Ci) in Serie zu der
I O Mediumskapazität (CM) geschaltet ist, wobei
- die Beiträge der von der Isolation (19) umgebenen Segmente (Sx) der Sonde (5) zur Isolationskapazätät (Ci) anhand von Zyünderkondensatoren bestimmt werden, deren innere Efektrode einen Außendurchmesser (d s ) aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments (Sx) ohne
15 Isolation (19) ist, deren äußere hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation (19) ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation (19) gefüllt ist, und
- die Isolationskapazität (Ci) gleich der Kapazität einer Parallelschaltung 0 dieser Zyünderkondensatoren ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, zur Ermittlung des Referenzwertes (RF) für den Messwert der zu messenden Kapazität, die das Messgerät bei vollständig mit einem ieitfähigen Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) mit 5 Isolation (19) messen würde, bei dem
- anhand der Leitfähigkeit (σ) des Füllguts (A) für jedes Segment (Sx) ein ohmscher Widerstand (Rx) bestimmt wird, der gleich dem Widerstand ist, den eine den dem jeweiligen Segment (Sx) zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut (A) 0 bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektroden des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet, und
- ein Mediumswiderstand (RM) bestimmt wird, der gleich dem Widerstand einer Parallelschaltung aller dieser ohmschen Widerstände (Rx) ist,
- und der Referenzwert (RF) anhand der Kapazität einer Hilfsschaltung 5 bestimmt wird, in der die Isolationskapazität (Ci) in Serie zu einer
Parallelschaltung aus Mediumswiderstand (RM) und Mediumskapazität (CM) geschaltet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem
- das Messgerät (3) im Messbetrieb bei einer Messfrequenz (f) betrieben wird, - anhand der Messfrequenz (f) ein Blindwiderstand (B) der Hilfsschaltung bestimmt wird, und der Referenzwert (RF) anhand der Messfrequenz (f) und des Blindwiderstandes (B) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem - ein Wirkwiderstand (W) der Hilfsschaltung bestimmt wird,
- anhand des Blindwiderstandes (B) und des Wirkwiderstandes (W) eine durch die Hilfsschaltung bei der Messfrequenz (f) bewirkte Phasenverschiebung (φ) bestimmt wird, und
- der Referenzwert (RF) anhand der Messfrequenz (f), des Blindwiderstands (B) und der Phasenverschiebung (φ) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
- eine Messaufgabe vorgegeben wird,
- für die Messaufgabe relevante Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa, RFb) bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa 1 RFb) überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät (3) ausgeführt werden kann, indem anhand der Referenzwerte (RE, RF, bzw. RE, RFa, RFb) abgeschätzt wird, ob eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
8. Verfahren zur Auswahl eines optimal an eine vorgegebene Messaufgabe angepassten Variante des kapazitiven Messgeräts (3) anhand von gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 bestimmten Referenzwerten (R), bei dem
- durch die Messaufgabe vorgegebene anwendungs-spezifische Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante (ε r ), die Leitfähigkeit (σ) des oder der Füllgüter (A, B), die Behälterform sowie die Einbauhöhe (H), vorgegeben werden, - messgerät-spezifische Parameter, insb. die Länge (L) der Sonde (5), die Länge (LI) des inaktiven Sondenabschnitt (15), die Länge (LA) des aktiven Sondenabschnätts (17) und/oder das Material und die Dicke der Isolation (19), als Variablen betrachtet werden, die in einer mit den anwendung-spezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung einer für die Messaufgabe optimal geeigneten Variante des Messgeräts (3) variiert werden, - für jede Variante jeweils die für die Messaufgabe relevanten
Referenzwerte (R) bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte (R) diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt wird, bei der eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , zur Bestimmung von Referenzwerten
(RE, RF) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3) mit horizontal in den Behälter (1 ) eingebauter Sonde (5), das zur überwachung eines über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines einzigen Füllguts (A) im Behälter (1 ) dient, bei dem
- ein Referenzwert (RE) für den bei leerem Behälter zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität und ein Referenzwert (RF) für den bei vollständig mit dem Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte (RE, RF) ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät (3) ein überschreiten des vorgegebenen Füllstandes anzeigen soll,
- der Grenzwert im Messgerät (3) abgespeichert wird, und - das Messgerät (3) im Messbetrieb ein über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , zur Bestimmung von Referenzwerten (RE, RFa, RFb) für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts (3) mit horizontal in den Behälter (1 ) eingebauter Sonde (5), das zur überwachung einer Lage einer zwischen zwei im Behälter (1 ) befindlichen Füllgütern (A, B) ausgebildeten Trennschicht (T) dient, bei dem
- ein Referenzwert (RFa) für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut (A) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- ein Referenzwert (RFb) für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut (B) bedeckter Sonde (5) zu erwartenden Messwert ermittelt wird, - anhand der ermittelten Referenzwerte (RFa, RFb) ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät (3) anzeigen soll, dass sich die Trennschicht (T) ober- bzw. unterhalb der durch die Einbauhöhe (H) der Sonde (5) vorgegebenen Lage befindet, - der Grenzwert im Messgerät (3) abgespeichert wird, und
- das Messgerät (3) im Messbetrieb ein über- oder Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht (T) durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem bei der Bestimmung der
Referenzwerte (R) werkseitig bekannte messgerät-spezifische und/oder fertigungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts (3) berücksichtigt werden.
12. Verfahren zur Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 7 in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerten (R) überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät (3) ausführbar ist.
13. Verfahren zur Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 8, in einem rechnergestützten Auswahl-, Auslegungs- und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt,
- anhand von durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen eine für diese Messaufgabe optimal geeignete Variante des kapazitives Messgeräts (3) ausgewählt und dem Anwender angeboten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem
- der Anwender das angebotene Messgerät (3) bestellt, und
- werkseitig vor der Auslieferung des Messgeräts die für die Messaufgabe für die bestellte Variante abgeleiteten Referenzwerte (R) und/oder daraus abgeleitete Grenzwerte in dem Messgerät (3) abgespeichert werden. |
Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät zu messende Kapazität
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät mit einer horizontal in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingebauten Sonde zu messenden Kapazität eines durch die als Elektrode dienende Sonde und den als Gegenelektrode dienenden Behälter gebildeten Kondensators.
Kapazitive Messgeräte werden in der Füllstandsmesstechnik in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen einsetzt. Sie werden insb. zur Füllstandsmessung, zur Grenzstandsüberwachung und zur Trennschichtmessung eingesetzt. Bei der Füllstandsmessung wird mit dem Messgerät ein im Behälter vom Füllgut eingenommener Füllstand bzw. ein Befüllungsgrad bestimmt. Bei der Grenzstandsüberwachung wird ein überoder Unterschreiten eines vorbestimmten Füllstandes im Behälter überwacht. Trennschichtmessungen kommen zum Einsatz, wenn sich in dem Behälter zwei unterschiedliche Füllgüter aufeinander ablagern. Die Grenze zwischen den beiden Füllgütern wird als Trennschicht bezeichnet. Trennschichten treten beispielsweise in der Petrochemie auf, wo sie z.B. durch Wasser und
Kohlenwasserstoffe, z.B. öl, gebildet werden. Ein weiteres Beispiel ist die Lebensmittelindustrie, wo sich Trennschichten beispieisweise in Fettabscheidern ausbilden. Trennschichtmessungen stellen eine Spezialform der Füllstandsmessung dar, und dienen dazu, die Lage der Trennschicht im Behälter und/oder die Füllhöhen oder die Menge der beiden im Behälter befindlichen Füllgüter zu bestimmen.
üblicher Weise weisen kapazitive Messgeräte eine stabförmige Sonde auf, die im Messbetrieb in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingeführt wird. Die Sonde dient als Elektrode, die zusammen mit dem Behälter einen Kondensator bildet. Dabei bildet die üblicher Weise geerdete Wand des Behälters die Gegenelektrode. Der auf diese Weise gebildete Kondensator weist eine vom momentanen Befülizustand des Behälters abhängige Kapazität auf, die mittels einer entsprechend ausgebildeten Kapazitätsmessschaltung des Messgeräts erfasst wird.
üblicher Weise wird die Sonde zur Füllstands- und zur Trennschichtmessung vertikal in den Behälter eingeführt. Bei der Grenzstandsmessung wird dagegen regelmäßig eine horizontai in den Behälter eingeführte Sonde verwendet, die hierzu im Behälter auf der Höhe des vorbestimmten zu überwachenden Füllstands angeordnet wird.
Die Anmelderin bietet für diese verschiedenen Messaufgaben eine Vielzahl unterschiedlicher kapazitiver Messgeräte an. Die einzelnen Messgerätvarianten unterscheiden sich insb. durch die an die jeweilige Anwendung möglichst optimal angepasste Sonde. So sind beispielsweise Sonden unterschiedlicher Länge erhältlich. Zusätzlich kann eine Isolation vorgesehen sein, die die Sonde umgibt. Auch kann die Sonde aus einem inaktiven Sondenabschnitt und einem daran anschließenden als Elektrode dienenden aktiven Sondenabschnitt bestehen. Der inaktive Sondenabschnitt bezeichnet einen vollständig abgeschirmten nicht als Elektrode wirkenden Abschnitt der Sonde, der üblicher Weise im Bereich der Behältereinführung angeordnet ist. Er dient unter anderem dazu, Kurzschlüsse zwischen der diesen Bereich umgebenden Behälterwand und verhindern,
Ob ein kapazitives Messgerät für eine bestimmte Messaufgabe geeignet ist, wird heute in der Regel von Fachleuten überprüft, die im Bedarfsfall ein optimal auf diese Messaufgabe zugeschnittenes Messgerät aus der Angebotspalette auswählen, dass dann vom Hersteller bezogen werden kann. Dabei werden durch die Messaufgabe vorgegebene Randbedingungen, wie z.B. Art und Form des Behälters, die gewünschte Einbauweise der Sonde und die Eigenschaften des Füllguts bzw. der Füllgüter, berücksichtigt. Ein entscheidendes Kriterium bei der überprüfung, ob die vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, besteht darin, abzuschätzen, ob eine durch die Messgröße verursachte änderung der mit dem Messgerät gemessenen Kapazität über den Messbereich hinweg ausreichend groß ist, um eine ausreichend genaue Messung der Messgröße zu gewährleisten. Diese Abschätzung wird in der Regel anhand von zwei Referenzwerten für die im Messbetrieb zu erwartenden Kapazitätsmesswerte vorgenommen. Der erste Referenzwert ist der bei leerem Behälter zu erwartende Messwert, und der zweite Referenzwert der bei maximaler Befüllung bzw. bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde zu erwartende Messwert .
Dabei können die Referenzwerte für kapazitive Messgeräte mit vertikal in den Behälter eingeführten Sonden in der Regel durch Berechnungsvorschriften bestimmt oder angenähert werden, wie sie beispielsweise in der 1990 erschienen Ausgabe von: 'Füllstandsmesstechnik in Theorie und Praxis' von Wim v. d. Kamp erläutert sind. Diese Berechnungsvorschriften sind jedoch in der Regel nicht auf kapazitive Messgeräte mit horizontal in den Behälter eingebauten Sonden anwendbar. In der Praxis werden die Referenzwerte für kapazitive Messgeräte mit horizontal eingebauten Sonden durch Erfahrungswissen, die Berücksichtigung entsprechend großer Sicherheitsmargen oder durch Referenzmessungen vor Ort ermittelt.
Wenn ein geeignetes kapazitives Messgerät gefunden werden konnte, wird das Messgerät am Messort installiert und in Betrieb genommen. Im Rahmen der Inbetriebnahme wird ein Abgieich des Messgeräts vorgenommen. Dabei werden die beiden Referenzwerte messtechnisch bestimmt, indem die
Kapazität bei leerem Behälter und bei maximaler Befüllung des Behälters bzw. bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde mit dem kapazitiven Messgerät gemessen werden.
Bei der kapazitiven Grenzstandsüberwachung wird anhand dieser beiden
Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität bestimmt, ab dem das Messgerät ein überschreiten des vorgegebenen Füllstandes anzeigen soll . Dieser Grenzwert wird beispielsweise als Schaltpunkt im Gerät abgespeichert.
Sowohl die überprüfung, ob eine vorgegebene Messaufgabe mit einem kapazitiven Messgerät zuverlässig ausführbar ist, die Auswahl eines optimal für die Messaufgabe ausgelegten kapazitiven Messgeräts aus der Vielzahl der am Markt erhältlichen Messgerätvarianten, als auch der nachfolgende im Rahmen der inbetriebnahme erforderliche Abgleich des entsprechenden Messgeräts erfordern die Bestimmung der Referenzwerte durch entsprechend gut ausgebildetes Personal. Dabei kann der Abgleich des Messgeräts vor Ort dazu führen, dass Produktionsprozesse verändert oder sogar kurzzeitig unterbrochen werden müssen, um die entsprechenden Füllstände zur Gewinnung der Referenzwerte anzufahren.
In der Mess- und Regeltechnik werden immer häufiger computer-gestützte Systeme verwendet, die bereits heute für eine Vielzahl von Messaufgaben in
der Lage sind, aus einer Vielzahl unterschiedlicher Messgeräte diejenigen Messgerättypen auszuwählen und vorzuschlagen, die für eine vorgegebene Messaufgabe geeignet sind. Auch gibt es einige Fälle, bei denen derartige Systeme für einen gewählten Messgerättyp aus der erhältlichen Vielzahl von Varianten dieses Messgerättyps dasjenige auswählen und vorschlagen, dass für die spezielle Anwendung optimal geeignet ist. Daran können elektronische Bestell- und Lieferverfahren angebunden sein, die dem Anwender eine automatische Bestellung der für seine Anwendung optimal geeigneten Variante des entsprechenden Messgerätetyps erlauben.
Beispiele hierzu sind in der DE 101 04 165 A1 , der DE 10 2006 060441.5 und der DE 10 2006 060919.0 beschrieben.
In Verbindung mit kapazitiven Messgeräten ist der Einsatz solcher Systeme jedoch nur begrenzt möglich, da bereits bei der überprüfung, ob eine vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, detaillierte Kenntnisse über die oben beschriebenen Referenzwerte erforderlich sind, um Beurteilen zu können, ob die durch die Messgröße über den Messbereich hinweg verursachte änderung der Kapazität groß genug ist, um die Messgröße mit ausreichender Genauigkeit bestimmen zu können.
Für kapazitive Messgeräte mit vertikal eingebaute Sonden ist es bereits heute möglich die zu erwartenden Referenzwerte wie oben beschrieben rechnerisch abzuschätzen. Beispiele hierzu sind in der 1990 erschienen Ausgabe von: FüNstandsmesstechnik in Theorie und Praxis von Wim v.d. Kamp erläutert.
Für horizontal eingebaute Sonden gibt es dagegen nur Schätz- oder Erfahrungswerte, die in der Rege! nur von Fachleuten auf dem Gebiet sinnvoll eingesetzt werden können, und einen experimentellen Abgleich vor Ort in der Regel nicht ersetzen können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem Referenzwerte für Messwerte einer mit einem kapazitiven Messgerät mit einer horizontal in einen Behälter eingebauten Sonde zu messenden Kapazität bestimmt werden können.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Ermittlung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts,
- das eine im Messbetrieb horizontal in einen mit mindestens einem Füllgut befüllbaren Behälter eingeführte als Elektrode dienende Sonde aufweist, die zusammen dem als Gegeneiektrode dienenden Behälter einen Kondensator bildet, dessen Kapazität im Messbetrieb von dem Messgerät zu messen ist,
- die das kapazitive Messgerät bei leerem Behälter oder bei vollständig mit einem einzigen Füllgut bedeckter Sonde messen würde, bei dem - näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien eines elektrischen Feldes ermittelt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde und der Gegeneiektrode aufgrund einer zwischen Sonde und Gegenelektrode anliegenden Spannung ausbilden würde,
- die Sonde in zylindrische Segmente unterteilt wird, - für jedes Segment eine mittlere FeldlinienJänge bestimmt wird, die von diesem Segment ausgehenden Feldlinien des elektrischen Feldes aufweisen, und
- der Beitrag dieses Segments zum Referenzwert näherungsweise unter der Annahme bestimmt wird, dass das jeweilige Segment zusammen mit einem Bereich der Gegeneiektrode zu dem die von diesem Segment ausgehenden Feldlinien führen einen Zylinderkondensator bildet, ™ dessen innere Elektrode durch das Segment und dessen äußere
Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge entsprechenden Abstand umgebende hohlzylindrische Elektrode gebildet ist,
- der bei leerem Behälter leer ist bzw. der bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde vollständig mit dem Füllgut gefüllt ist, und
- der Referenzwert anhand einer Mediumskapazität bestimmt wird, die der Kapazität einer Parallelschaltung dieser Zylinderkondensatoren entspricht.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens weist die Sonde einen in den Behälter hinein ragenden inaktiven Sondenabschnitt auf, und der inaktive Sondenabschnitt wird für die Bestimmung des Verlaufs der Feldlinien als Teil der Gegenelektrode betrachtet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst die Erfindung ein Verfahren, bei dem
- die Sonde von einer Isolation umgeben ist,
- eine Isolationskapazität bestimmt wird, und - der Referenzwert anhand der Kapazität einer Serienschaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität in Serie zu der Mediumskapazität geschaltet ist, wobei
- die Beiträge der von der Isolation umgebenen Segmente der Sonde zur Isolationskapazität anhand von Zylinderkondensatoren bestimmt werden, deren innere Elektrode einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments ohne Isolation ist, deren äußere hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation gefüllt ist, und
- die Isolationskapazität gleich der Kapazität einer Parallelschaltung dieser Zyünderkondensatoren ist.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung des Verfahrens zur Ermittlung des Referenzwertes für den Messwert der zu messenden Kapazität, die das Messgerät bei vollständig mit einem ieitfähigen Füllgut bedeckter Sonde mit Isolation messen würde, bei dem
- anhand der Leitfähigkeit des Füllguts für jedes Segment ein ohmscher Widerstand bestimmt wird, der gleich dem Widerstand ist, den eine den dem jeweiligen Segment zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektrode des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet,
- ein Mediumswiderstand bestimmt wird, der gleich dem Widerstand einer Parallelschaltung aller dieser ohmschen Widerstände ist,
- und der Referenzwert anhand der Kapazität einer Hilfsschaltung bestimmt wird, in der die Isoiationskapazität in Serie zu einer Parallelschaltung aus Mediumswiderstand und Mediumskapazität geschaltet ist.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens
- wird das Messgerät im Messbetrieb bei einer Messfrequenz betrieben,
- anhand der Messfrequenz ein Blindwiderstand der Hilfsschaitung bestimmt, und der Referenzwert wird anhand der Messfrequenz und des Blindwiderstandes bestimmt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung
- wird ein Wirkwiderstand der Hilfsschaitung bestimmt,
- es wird anhand des Blindwiderstandes und des W irkwtd erstand es eine durch die Hilfsschaitung bei der Messfrequenz bewirkte Phasenverschiebung bestimmt, und - der Referenzwert wird anhand der Messfrequenz, des Bündwiderstands und der Phasenverschiebung bestimmt.
Weiter umfasst die Erfindung ein überprüfungsverfahren, bei dem
- eine Messaufgabe vorgegeben wird, - für die Messaufgabe relevante Referenzwerte bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann, indem anhand der Referenzwerte abgeschätzt wird, ob eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
Weiter umfasst die Erfindung ein Auswahl verfahren zur Auswahl einer optimal an eine vorgegebene Messaufgabe angepassten Variante des kapazitiven Messgeräts anhand von erfindungsgemäß bestimmten Referenzwerten, bei dem
- durch die Messaufgabe vorgegebene anwendungs-spezifische Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit des oder der Füllgüter, die Behälterform sowie die Einbauhöhe, vorgegeben werden, - messgerät-spezifische Parameter, insb. die Länge der Sonde, die Länge des inaktiven Sondenabschnitt, die Länge des aktiven Sondenabschnitts und/oder das Material und die Dicke der Isolation, als Variablen betrachtet werden, die in einer mit den anwendungspezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung eines für die Messaufgabe optimal geeigneten Variante des Messgeräts variiert werden,
- für jede Variante jeweils die für die Messaufgabe relevanten
Referenzwerte bestimmt werden, und
- anhand der Referenzwerte diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt wird, bei der eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts mit horizontal in den Behälter eingebauter Sonde, das zur überwachung eines über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines einzigen Füllguts im Behälter dient, bei dem
- ein Referenzwert für den bei leerem Behälter zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität und ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät ein
überschreiten des vorgegebenen Füilstandes anzeigen soll,
- der Grenzwert im Messgerät abgespeichert wird, und
- das Messgerät im Messbetrieb ein über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Verfahren zur Bestimmung von Referenzwerten für Messwerte eines kapazitiven Messgeräts mit horizontal in den Behälter eingebauter Sonde, das zur überwachung einer Lage einer zwischen zwei im Behälter befindlichen Füllgütern ausgebildeten Trennschicht dient, bei dem
- ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- ein Referenzwert für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut bedeckter Sonde zu erwartenden Messwert ermittelt wird,
- anhand der ermittelten Referenzwerte ein Grenzwert für die zu messende Kapazität ermittelt wird, ab dem das Messgerät anzeigen soll, dass sich die Trennschicht ober- bzw. unterhalb der durch die Einbauhöhe der Sonde vorgegebenen Lage befindet, - der Grenzwert im Messgerät abgespeichert wird, und
- das Messgerät im Messbetrieb ein über- oder Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht durch einen Vergleich der
gemessenen Kapazität mit dem Grenzwert bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden bei der Bestimmung der Referenzwerte werkseitig bekannte messgerät-spezifische und/oder fertigungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts berücksichtigt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung des oben genannten überprüfungsverfahrens in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Beste 11 verfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem
- ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerten überprüft wird, ob die Messaufgabe von dem kapazitiven Messgerät ausführbar ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung des oben genannten Auswahlverfahrens in einem computergestützten Auswahl-, Auslegungs- und/oder Besteilverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, bei dem - ein Anwender eine Messaufgabe vorgibt, und
- anhand von durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen eine für diese Messaufgabe optimal geeignete Variante des kapazitives Messgerät ausgewählt, und dem Anwender angeboten wird.
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens
- bestellt der Anwender das angebotene Messgerät, und
- die für die Messaufgabe für die bestellte Variante abgeleiteten Referenzwerte und/oder daraus abgeleitete Grenzwerte werden werkseitig vor der Auslieferung des Messgeräts in dem Messgerät abgespeichert.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Flg. 1 zeigt ein kapazitives Messgerät mit einer horizontal in einen mit einem einzigen Füllgut befüllten Behälter eingeführten
Sonde, wie es zur Grenzstandsüberwachung eingesetzt wird;
Fig. 2 zeigt ein kapazitives Messgerät mit einer horizontal in einen mit zwei Füllgütern befüiiten Behälter eingeführten Sonde, wie es zur überwachung der Lage der Trennschicht eingesetzt wird;
Fig. 3 bis 7 zeigen eine schematische übersicht über alle möglichen Fälle von Ausbildungen von elektrische Feldlinien eines zwischen
Sonde und Gegenelektrode anliegenden elektrischen Feldes für eine Sonde ohne inaktiven Sondenabschnitt;
Fig. 8 bis 18 zeigen eine schematische übersicht über alle möglichen Fälle von Ausbildungen von elektrische Feldlinien eines zwischen
Sonde und Gegenelektrode anliegenden elektrischen Feldes für eine Sonde mit inaktiven Sondenabschnitt;
Fig. 19 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein kapazitives Messgerät, bei dem eine durch eine Isolation der Sonde gebildete
Isolationskapazität in Reihe zu einer Mediumskapazität angeordnet ist; und
Fig. 20 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein kapazitives Messgerät, bei dem die Isolationskapazität in Reihe zu einer Parallelschaltung aus Mediumskapazität und Mediumswiderstand angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt einen mit einem Füllgut A befüllten Behälter 1 auf dem ein kapazitives Messgerät 3 montiert ist. Das kapazitive Messgerät 3 weist eine horizontal in einen Behälter 1 eingeführte stabförmige Sonde 5 auf, die mittels einer Befestigungsvorrächtung 7 am Behälter 1 montiert ist. Außerhalb des Behälters 1 ist ein mit der Sonde 5 verbundenes Messgerätgehäuse 9 vorgesehen, in dem sich eine Messgerätelektronik 11 befindet Die Sonde 5 dient als Elektrode, die zusammen mit einer durch die Wand des Behälters 1 gebildeten Gegenelektrode 13 einen Kondensator bildet. Die Messgerätelektronik 11 dient dazu, im Messbetrieb eine von einem
momentanen Befüllzustand des Behälters 1 abhängige Kapazität C dieses Kondensators zu messen, und anhand der gemessenen Kapazität ein Messsigna! abzuleiten und anzuzeigen oder auszugeben, dass die gewünschte Messgröße wiedergibt.
Kapazitive Messgeräte 3 messen die fülistands-abhängige Kapazität in der Rege!, indem ein elektrisches Ansteuersignal in Form einer elektrischen Wechselspannung mit einer vorgebbaren Frequenz f an den Kondensator angelegt wird und ein zugehöriges kapazitätsabhängiges Antwortsigna!, in der Rege! ein Stromsignal, das z.B. über einen Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt wird, aufgenommen und ausgewertet wird. Dafür wird in der Regel ein Berechnungsalgorithmus verwendet, der die Admittanz des Antwortsignals, dessen Betrag und die Phase zwischen Ansteuersignal und Antwortsignal auswertet und hieraus die Kapazität C bestimmt. Entsprechende Kapazitätsmessverfahren sind beispielsweise in der DE 10 2004 047 413 A1 oder der DE 101 61 069 A1 beschrieben.
Je nach Ausgestaltung und Anwendung kann die Sonde 5 im Bereich der Einführung der Sonde 5 in den Behälter 1 , wie in Fig. 1 dargestellt, einen inaktiven Sondenabschnitt 15 der Länge LI aufweisen. In diesem inaktiven
Abschnitt 15 ist die Sonde 5 vollständig nach außen hin abgeschirmt, so dass ausschließlich ein daran anschließender aktiver Sondenabschnitt 17 der Länge LA als Elektrode für den durch die Sonde 5 und den Behälter 1 gebildeten Kondensator wirkt. Hierdurch wird z.B. erreicht, dass das Messgerät unempfindlich gegenüber Verschmutzungen oder Ablagerungen wird, die sich in dem in der Regel engen Einführungsbereich der Sonde 5 in den Behälter 1 ablagern können.
Des Weiteren kann die Sonde 5 je nach Anwendung und Ausgestaltung von einer Isolation 19 umgeben sein. In dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist der gesamte aktive Sondenabschnitt 17 vollständig von der Isolation 19 umgeben. Vollständig isolierte Sonden 5 werden insb. für Messungen in leitenden und/oder verschmutzenden Medien eingesetzt, um einen kapazitiven Kurzschluss zu vermeiden.
Die in Fig. 1 dargestellte Messanordnung mit dem kapazitiven Messgerät 3 mit horizontal eingebauter Sonde 5 wird beispielsweise zur überwachung eines
vorbestimmten Füllstandes eingesetzt. Hierzu wird die Sonde 5 auf einer Höhe H in den Behälter 1 eingeführt, die dem vorbestimmten zu überwachenden Füllstand entspricht. Im Messbetrieb wird die Kapazität des durch die Sonde 5 und den als Gegenelektrode 13 dienenden Behäiter 1 gebildeten Kondensators gemessen und durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit einem vorab zu bestimmenden Grenzwert festgestellt, ob der Füllstand ober- oder unterhalb des vorgegebenen Füllstands liegt.
Kapazitive Messgeräte mit horizontal eingebauten Sonden 5 sind jedoch nicht nur zu Grenzstandsüberwachung sondern auch zur überwachung der Lage einer zwischen zwei im Behälter 1 befindlichen Füllgütern A, B ausgebildeten Trennschicht T einsetzbar. In dem Fall wird die Sonde 5 auf einer Höhe H eingeführt, die der zu überwachenden Lage der Trennschicht T entspricht. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 2 dargestellt. Auch hier wird im Messbetrieb die Kapazität des durch die Sonde 5 und den a!s Gegenelektrode 13 dienenden Behälter 1 gemessen und durch einen Vergleich der gemessenen Kapazität mit einem vorab zu bestimmenden Grenzwert festgestellt, ob sich die Trennschicht T ober- oder unterhalb der zu überwachenden Lage befindet.
Aus den bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Gründen ist es erforderlich Referenzwerte R für die im Messbetrieb zu erwartenden Messwerte der Kapazität C zu ermitteln. Bei der in Fig. 1 dargestellten überwachung eines vorbestimmten Füllstands sind dies ein Referenzwert RE, der den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C wiedergibt, und ein Referenzwert RF 1 der den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C wiedergibt.
Bei der überwachung der Lage der Trennschicht T werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Referenzwert RFa für den bei vollständig mit dem ersten Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C und ein Referenzwert RFb für den bei vollständig mit dem zweiten Füllgut B bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der Kapazität C bestimmt. Vorzugsweise wird zusätzlich ein Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C bestimmt.
Zur Bestimmung der Referenzwerte R wird erfindungsgemäß derart vorgegangen, dass näherungsweise ein Verlauf von Feldlinien F eines elektrischen Feldes bestimmt wird, das sich im freien Raum zwischen der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 aufgrund einer zwischen Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 anliegenden Spannung ausbilden würde. Dabei wird die physikalische Tatsache genutzt, dass die Feldlinien F entlang der Sonde 5 jeweils entlang der kürzesten Verbindungslinie zwischen Sonde 5 und Gegeneiektrode 13 verlaufen und senkrecht auf der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13 auftreffen. Die Feldlinien F werden vorzugsweise durch Geraden und Kreissegmente, insb. durch Halbkreise und Viertelkreise, angenähert.
Der Verlauf und die Länge der Feldlinien F wird dabei maßgeblich durch die Geometrie des Behälters 1 , die Länge LI des gegebenenfalls vorgesehenen inaktiven Sondenabschnitts 15 der Sonde 5, die Länge LA des aktiven
Sondenabschnitts 17 der Sonde 5, die Länge L der Sonde 5 insgesamt, und die Einbauhöhe H der Sonde 5 bestimmt.
Für eine in einen zylindrischen Behälter 1 mit dem Radius RB horizontal eingebaute Sonde 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 können sich in
Abhängigkeit von der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5, und dem Behälterradius RB entlang der Sonde 5 drei verschiedene Feldlinientypen ausbilden.
Der erste Feldiinientyp wird durch Feldlinien Fi gebildet, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu der Behälterwand 21 verlaufen, in die die Sonde 5 eingeführt ist. Die Länge LFi dieser Feldlinien Fi entspricht der Länge eines Viertel kreises mit einem Radius r, der gleich dem Abstand r zwischen der Behälterwand 21 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fi ausgeht, d.h. LFi = π/2 r.
Der zweite Feldlinientyp wird durch Feldlinien Fj gebildet, die geradlinig von der Sonde 5 zum Behälterboden 23 verlaufen. Die Länge LFj dieser Feldlinien Fj entspricht der Einbauhöhe H der Sonde 5, d.h. LFj = H.
Der dritte Feldlinientyp wird durch Feldlinien Fk gebildet, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden
Behälterwand 25 verlaufen. Die Länge LFk dieser Feldlinien Fk entspricht der Länge eines Viertelkreises mit einem Radius rk, der gleich dem Abstand zwischen der Behälterwand 25 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fk ausgeht, d.h. LFi = ττ/2 rk. Für diesen Radius rk gilt: rk := 2 RB - r wobei RB der Radius des Behälters 1 und r der Abstand zwischen der die
Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 und dem Bereich der Sonde 5 ist, von dem die Feldlinie Fk ausgeht
Der Verlauf der Feldlinien F ergibt sich nun zwangsläufig dadurch, dass sich entlang der Sonde 5 in jedem Bereich der Sonde 5 jeweils derjenige Feldlinientyp ausbildet, der die geringste Länge LFi, LFj 1 LFk aufweist.
Hierdurch ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5, und dem Behälterradius RB die in den Figuren 3 bis 7 schematisch dargestellten Fälle.
In dem in Fig. 3 dargestellten Fall bilden sich ausschließlich Feldlinien Fi des ersten Feldlinientyps aus, die viertelkreisförmig von der Sonde 5 zu dem durch den viertelkreisförmigen Feldlinienverlauf zugeordneten Bereich Wi der Behälterwand 21 , durch die die Sonde 5 eingeführt ist, verlaufen.
In dem in Fig. 4 dargestellten Fall bilden sich sowohl Feldlinien Fi des ersten Feidlinientyps als auch die Feldlinien Fk des dritten Feldlinientyps aus,
In dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Fällen bilden sich sowohl Feldlinien Fi des ersten Feldlinientyps als auch die Feldlinien Fj des zweiten Feldlinientyps aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Sonde 5 in dem in Fig. 6 dargestellten Fall über die Behältermitte hinaus ragt. Sie ist jedoch in beiden Fällen nicht lang genug, als dass sich auch Feldlinien zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 ausbilden. Dieser Fall ist in Fig. 7 dargestellt. Dort treten alle drei Feldlinientypen auf.
In den in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen wurde von einer Sonde 5 ohne inaktive Sondenabschnitt 15 ausgegangen. In vielen
Anwendungen ist jedoch sinnvoll, im Bereich der Einführung der Sonde 5 in den Behälter 1 einen inaktiven Sondenabschnitt 15 der Länge LI vorzusehen.
In diesem inaktiven Abschnitt 15 ist die Sonde 5 vollständig abgeschirmt, so dass der inaktive Abschnitt 15 nicht Teil des durch die Sonde 5 gebildeten Kondensators ist. In dem Fall gehen lediglich von dem an den inaktiven Sondenabschnitt 15 anschließende aktiven Sondenabschnitt 17 der Sonde 5 Feldlinien F aus. Bei der Ermittlung des Feldlinienverlaufs wird der inaktive Sondenabschnitt 15 als Teil der Gegenelektrode 13 betrachtet.
Dabei können in Abhängigkeit von der Länge LI des inaktiven Sondenabschnitts 15, der Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, der Länge L der Sonde, der Einbauhöhe H der Sonde 5 und dem Behälterradius RB 1 die nachfolgend beschriebenen vier Feidiinientypen ausbilden.
Der erste Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fl, die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu dem als Teil der Gegenelektrode 13 wirkenden inaktiven Sondenabschnitt 15 verlaufen. Diese Feldlinien Fl werden durch einen Halbkreis angenähert. Die Länge LFI dieser Feldiinien Fl entspricht der Länge eines Halbkreises mit einem Radius r', der gleich dem Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fl ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15 ist, d.h. LFI - π r'.
Der zweite Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fm die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu der die Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 verlaufen. Diese Feldlinien Fm werden durch einen Viertelkreis und eine daran anschließende Gerade angenähert. Der Radius r' des Viertelkreises entspricht dabei dem Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fm ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15. Die Länge der Gerade ist gleich der Länge LI des inaktiven Sondenelements 17. Die Länge LFI dieser Feldlinien Fl beträgt: FLI = π/2 r' + LI.
Der dritte Feldlinientyp umfasst Feidlinien Fn die von dem aktiven
Sondenabschnitt 17 zum Behälterboden 23 verlaufen. Diese Feldlinien Fn werden durch Geraden angenähert, deren Länge LFn gleich der Einbauhöhe H ist. Die Länge LFn dieser Feldlinien Fn ist damit gleich der Einbauhöhe H: LFn = H.
Der vierte Feldlinientyp umfasst Feldlinien Fo die von dem aktiven Sondenabschnitt 17 zu der der Sondeneinführung gegenüberliegenden
Behälterwand 25 verlaufen. Diese Feidünien Fo werden durch einen Viertelkreis angenähert, dessen Radius r" gleich dem mittleren Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die FeIdISnSe Fo ausgeht zu der der Einführung gegenüberliegenden Behälterwand 25 ist. Für diesen Radius r" gilt:
r' s = 2RB - (LI + r')
wobei
RB der Radius des Behälters, LI die Länge des inaktiven Sondenabschnitts und r' der Abstand des Bereichs des aktiven Sondenabschnitts 17 von dem die Feldlinie Fo ausgeht zu dem inaktiven Sondenelement 15 ist.
Entsprechend ergibt sich für die Feldlinien Fo des vierten Feldiinientyps eine Feldlinienlänge LFo von LFo = ττ/2 r", bzw. LFo= ττ/2 (2RB - (LI +r')).
Der Verlauf der Feldlinien F ergibt sich auch hier zwangsläufig dadurch, dass sich entlang der Sonde 5 in jedem Bereich der Sonde 5 jeweils derjenige Feldlinientyp ausbildet, der die geringste Länge LFI, LFm 1 LFn, LFo aufweist.
Damit ergeben sich in Abhängigkeit von der Länge LI des inaktiven Sondenabschnitts 15, der Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, der Länge L der Sonde 5, der Einbauhöhe H der Sonde 5 und dem Behälterradius RB die in den Figuren 8 bis 18 schematisch dargestellten Fälle.
In dem in Fig. 8 dargestellten Fall bilden sich entlang des gesamten aktiven Sondenabschnitts 17 ausschließlich Feldlinien Fl vom ersten Feidlinientyp aus.
In dem in Fig. 9 dargestellten Fall entstehen zwei Bereiche. Ein erster an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzender Bereich des aktiven
Sondenabschnitts 17 in dem sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp ausbilden und ein zweiter an den ersten Bereich anschließenden Bereich in dem sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldlinientyp ausbilden.
In dem in Fig. 10 dargestellten Fall bilden sich entlang des gesamten aktiven Sondenabschnitts 17 ausschließlich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus.
In dem in Fig. 11 dargestellten Fail bilden sich zwei Bereiche. Ein erster an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzender Bereich des aktiven Sondenabschnitts 17 in dem sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp ausbilden und ein zweiter an den ersten Bereich anschließenden Bereich in dem sich Feldlinien Fo vom vierten Feldlinientyp ausbilden.
In dem in Fig. 12 dargestellten Fall bilden sich drei aneinander anschließende Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem mittleren Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldiinientyp und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldiinien Fo vom vierten Feldlinientyp aus.
In den in den Figuren 13 bis 18 dargestellten Fällen ist die Einbauhöhe H so gering, dass auch zwischen dem aktiven Sondenabschnitt 17 und dem
Behälterboden 23 verlaufende Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp auftreten.
In den in Figuren 13 und 14 dargestellten Fällen bilden sich jeweils drei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem mittleren Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldlinientyp aus und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Sonde 5 indem in Fig. 14 dargestellten Fall über die Behältermitte hinausragt.
In dem in Fig. 15 dargestellten Bereich bilden sich vier Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem daran anschließenden zweiten Bereich bilden sich Feldlinien Fm vom zweiten Feldiinientyp, in dem dritten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldiinientyp aus, und in dem vierten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fo vom vierten Feldiinientyp aus.
In den in Figuren 16 und 17 dargestellten Fällen bilden sich jeweils zwei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldiinientyp aus
und in dem zweiten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feidlinientyp aus. Die beiden Fälle unterscheiden sich lediglich dadurch, dass Sonde 5 indem in Fig. 17 dargestellten Fall über die Behältermitte hinausragt.
In dem in Fig. 18 dargestellten Fall bilden sich drei Bereiche aus. Im ersten unmittelbar an den inaktiven Sondenabschnitt 15 angrenzenden Bereich bilden sich Feldlinien Fl vom ersten Feldlinientyp aus, in dem daran anschließenden zweiten Bereich bilden sich Feldlinien Fn vom dritten Feldlinientyp aus, und in dem dritten vom inaktiven Sondenabschnitt 15 abgewandten Bereich bilden sich Feldlinien Fo vom vierten Feldlinientyp aus.
In einem nächsten Schritt wird die Sonde 5 in N zylindrische Segmente Sx mit x= 1 , ,.., N der Länge Lsx unterteilt. Bei Sonden 5, die einen inaktiven Sondenabschnitt 15 aufweisen, genügt es, den aktiven Sondenabschnitt 17 in Segmente 81 , S2, ... SN zu unterteilen, da der inaktive Sondenabschnitt 15 nicht als Elektrode dient. Bei Sonden 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 wird die gesamte Sonde 5 in Segmente S1 , S2 SN unterteilt. Die Einteilung erfolgt vorzugsweise anhand der Bereiche, die sich durch die unterschiedlichen sich ausbildenden Feldlinientypen ergeben. Anhand des zuvor bestimmten Verlaufs der Feldlinien F ist jedem Segment Sx der Sonde 5 ein Bereich Wx der Gegenelektrode 13 zugeordnet, zu dem die von dem Segment Sx ausgehenden Feldlinien Fx führen.
In einem nächsten Schritt wird eine mittlere Feldlinienlänge LFx bestimmt, die die von dem jeweiligen Segment Sx ausgehenden zwischen dem jeweiligen Segment Sx und dem diesem durch den Feldlinienverlauf zugeordneten Bereich Wx der Gegenelektrode 13 verlaufenden Feldlinien Fx aufweisen. Zur Bestimmung der mittleren Feldlinienlänge LFx werden die oben angeführten Berechnungsvorschriften für die Feldlinienlänge der einzelnen Feldlinientypen herangezogen, wobei für den ersten und den dritten Feldlinientyp für Sonden 5 ohne inaktiven Sondenabschnitt 15 für den Radius r der mittlere Abstand des Segments Sx von der die Sondeneinführung enthaltenden Behälterwand 21 und bei dem ersten, zweiten und vierten Feldlinientypen für Sonden 5 mit inaktivem Sondenabschnitt 15 für den Radius r' der mittlere Abstand des Segments Sx von dem inaktiven Sondenabschnitt 15 eingesetzt wird.
Nachdem für jedes Segment Sx die zugehörige mittlere Feidlinienlänge LFx bestimmt wurde, wird für jedes Segment Sx der Beitrag dieses Segments Sx zum jeweiligen gesuchten Referenzwert R näherungsweise unter der Annahme bestimmt, dass das jeweilige Segment Sx zusammen mit dem diesem zugeordneten Bereich Wx der Gegenelektrode 13 einen Zylinderkondensator bildet, dessen innere Elektrode durch das Segment Sx und dessen äußere Elektrode durch eine die innere Elektrode konzentrisch in einem der mittleren Feldlinienlänge LFx entsprechenden Abstand umgebende holzylindrische Elektrode gebildet ist. Dabei wird angenommen, das die Zylinderkondensatoren jeweils vollständig mit einem Medium gefüllt sind. Bei der Bestimmung des
Referenzwertes RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium Luft. Bei der Bestimmung des Referenzwertes RF bzw. RFa für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium das entsprechende Füllgut A. Bei der Bestimmung des
Referenzwertes RFb für den bei vollständig mit dem Füllgut B bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C ist das Medium das entsprechende Füügut B.
Die Kapazitäten Cx dieser Zylinderkondensatoren bestimmten sich gemäß:
Cx = 2 Cp Z 1 LSX
In (2 LFx/d)
wobei: εo die elektrische Feldkonstante, ε r die Dielektrizitätskonstante des im Zylinderkondensator befindlichen Mediums (hier Luft, das Füllgut A oder das Füllgut B),
Lsx die Länge des Segments Sx 1 LFx die mittlere Feldlinienlänge im Segment Sx, und d der Durchmesser des Sondensegments Sx
bedeuten.
Anhand dieser einzelnen Kapazitäten Cx wird eine nachfolgend als
Mediumskapazität CM bezeichnete Kapazität bestimmt, die gleich der Kapazität
einer Schaltung ist, die durch eine Parallelschaltung der einzelnen Zyünderkondensatoren gebildet ist.
Damit gilt für die Mediumskapazität:
CM = σ N X=1 Cx
Anschließend wird der jeweilige gesuchte Referenzwert R anhand dieser Mediumskapazität CM bestimmt.
Bei Sonden 5, die von einer Isolation 19 umgeben sind, wirkt die Isolation 19 wie eine zusätzliche nachfolgend als Isolationskapazität Ci bezeichnete Kapazität, die zu der Mediumskapazität CM in Serie geschaltet ist. Dies ist in dem in Fig. 19 dargestellten Ersatzschaltbild dargestellt. In diesem Fall liefert die Isolation 19 einen Beitrag zu der von dem kapazitiven Messgerät gemessenen Kapazität C. Diese zusätzliche Isolationskapazität Ci wird daher bei der Bestimmung der Referenzwerte R vorzugsweise derart berücksichtigt, das der Referenzwert R anhand der Kapazität CMi einer Schaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu der Mediumskapazität CM geschaltet ist.
Hierzu werden die Beiträge der von der Isolation 19 umgebenen Segmente Sx der Sonde 5 zur Isolationskapazität Ci anhand von Zylinderkondensatoren bestimmt, deren innere Elektrode einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Außendurchmesser des Segments Sx ohne Isolation 19 ist, deren hohlzylindrische äußere Elektrode die innere Elektrode konzentrisch in einem Abstand umgibt, der gleich der Dicke der Isolation 19 ist, und deren Innenraum vollständig mit dem Material der Isolation 19 gefüllt ist.
Die Kapazitäten Cix dieser Zylinderkondensatoren bestimmten sich gemäß:
Cix = 2.εo επ Lsx
wobei: εo die elektrische Feld konstante, ε π die Dielektrizitätskonstante des im Zylinderkondensator befindlichen
Isolationsmaterial, Lsx die Länge des Segments Sx,
Di der Durchmesser des Soπdeπsegments Sx mit Isolation, und d s der Durchmesser des Sondensegments Sx ohne Isolation 19 bedeuten.
Anhand dieser einzelnen Kapazitäten Cix wird die isolationskapazität Ci bestimmt, die gleich der Kapazität einer Schaltung ist, die durch eine Parallelschaltung der einzelnen Zylinderkondensatoren bebildet ist.
Damit gilt für die Isolationskapazität:
Nun wird der Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Wert der gemessenen Kapazität C bestimmt.
Dieser wird bei Sonden 5 ohne Isolation 19 gleich der entsprechenden Mediumskapazität CM gesetzt. Hier gilt:
RE = CM
Bei Sonden 5 mit Isolation 19 wird er gleich der Kapazität einer Serienschaltung von Isolationskapazität Ci und Mediumskapazität CM gesetzt. Hier gilt entsprechend:
1 RE =
1/ Ci + 1 /CM
Bei der Bestimmung des Referenzwertes RF für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der gemessenen Kapazität C werden zwischen leitfähigen und nicht leitfähigen Füllgütern A unterschieden. Streng genommen sind alle Füllgüter A, die eine von null verschiedenen Leitfähigkeit aufweisen als leitfähig anzusehen. Alternativ kann hier zur Reduzierung des Rechenaufwandes aber auch ein Schwellwert für die Leitfähigkeit eingeführt werden. Dabei werden dann nur diejenigen Füllgüter A
als leitfähige Füllgüter A klassifiziert, deren Leitfähigkeit den Schwellwert übersteigt. Der Schwellwert wird dabei derart gewählt, dass der Effekt der durch die Leitfähigkeit gegebenen ohmschen Verbindung zwischen Sonde 5 und Gegenelektrode 13 auf die zu messende Kapazität C bzw. den Referenzwert RFa im Vergleich zu dem Effekt der Mediumskapazität CM auf diese Größe vernachlässigbar ist.
Der Referenzwert RF für nicht leitfähige Füllgüter A wird analog zu dem Referenzwert RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Wert der Kapazität C bestimmt, indem bei der Bestimmung der Mediumskapazität CM anstelle der Dielektrizitätskonstante von Luft die Dielektrizitätskonstante des Füllguts A eingesetzt wird.
Entsprechend gilt hier für Sonden 5 ohne Isolation 19:
RF = CM
und für Sonden 5 mit Isolation 19 gilt:
1
RF =
1/ Ci + 1/CM
Bei leitfähigen Füllgütern A bildet die Sonde 5 zusammen mit der Gegenelektrode 13 keinen reinen Kondensator. Hier entsteht aufgrund der Leitfähigkeit σ des Füllguts A zusätzlich eine ohmsche Verbindung zwischen der Sonde 5 und der Gegenelektrode 13, die näherungsweise durch einen parallel zur Mediumskapazität CM geschalteten Mediumswiderstand RM wiedergegeben werden kann, wie er in dem in Fig. 20 dargestellten Ersatzschaltbild eingezeichnet ist. Da in Verbindung mit leitfähigen Füllgütern A regelmäßig Sonden 5 mit Isolation 19 verwendet werden, ist in dem Ersatzschaltbild zusätzlich die isolationskapazität Ci eingezeichnet, die in Serie zu der Parallelschaltung von Mediumskapazität CM und Mediumswiderstand RM angeordnet äst.
in diesem Fail liefert also sowohl die isolationskapazität Ci als auch der Mediumswiderstand RM einen Beitrag zu der von dem kapazitiven Messgerät
gemessenen Kapazität C. Der Mediumswiclerstand RM und die Isolationskapazität Ci werden daher bei der Bestimmung des Referenzwerts RF vorzugsweise derart berücksichtigt, das der Referenzwert RF anhand der Kapazität CRMi einer Schaltung bestimmt wird, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu einer Parallelschaltung von Mediumskapazität CM und Mediumswiderstand RM geschaltet ist.
Für die Bestimmung des Mediumswiderstandes RM wird erneut auf die Einteilung der Sonde 5 in Segmente S1 , S2, ..., SN und die den jeweiligen Segmenten Sx zur Bestimmung der Mediumskapazität CM zugeordneten Zylinderkondensatoren zurückgegriffen. Zur Bestimmung des Mediumswiderstandes RM wird davon ausgegangen, dass jeder der Zylinderkondensatoren mit dem ieitfähigen Füllgut A gefüllt ist.
Anhand der Leitfähigkeit σ des Füllguts A wird für jedes Segment Sx ein ohmscher Widerstand Rx bestimmt, der gleich dem Widerstand ist, den eine den zugeordneten Zylinderkondensator vollständig ausfüllende aus dem Füllgut A bestehende Füllung zwischen der inneren und der hohlzylindrischen äußeren Elektrode des jeweiligen Zylinderkondensators ausbildet. Für diesen Widerstand Rx gilt:
In (2 LFx/d) Rx =
2 σ Lsx
wobei σ die Leitfähigkeit des Füllguts, Lsx die Länge des Segments Sx 1
LFx die mittlere Feldlinienlänge im Segment Sx 1 und d der Durchmesser des Sondensegments Sx bedeuten.
Diese einzelnen Widerstände Rx sind entlang der Sonde 5 parallel zueinander angeordnet. Dementsprechend ist der Mediumswiderstand RM gleich dem Widerstand, den eine Parallelschaltung aller dieser Widerstand Rx aufweist.
Entsprechend gilt:
1
RM =
Abschließend wird der Referenzwert RF anhand der Kapazität der in Fig. 20 dargestellten Hilfsschaltung bestimmt, in der die Isolationskapazität Ci in Serie zu der Parallelschaltung aus Mediumswiderstand RM und Mediumskapazität CM geschaltet ist.
Für die Bestimmung des Referenzwertes RF können anhand dieser Hilfsschaltung nun sowoh! der Blindwiderstand B dieser Hüfsschaltung, der Wirkwiderstand W dieser Hilfsschaltung, als auch die durch die Hilfsschaltung bewirkte Phasenverschiebung φ bestimmt werden.
Dabei gilt für den Blindwiderstand:
B = j - ( ω Ci ) '1 - (ω CMV 1 [ j (1/RM) 2 + (ω CM) 2 I
Für den Wirkwiderstand gilt:
W = [ 1/RM I i (1/RM) 2 + (ω CM) 2 [
und für die Phasenverschiebung φ gilt:
φ = arctan (B/W).
wobei ω das 2 π fache der Messfrequenz f ist, d.h. ω = 2 π f
Ohne Berücksichtigung der Phasenverschiebung φ ergibt sich hieraus ein Referenzwert RF für den bei vollständig mit dem Füllgut A bedeckter Sonde 5 zu erwartenden Messwert der Kapazität C von:
RF = _1 ω B
Vorzugsweise wird zusätzlich die Phasenverschiebung φ in Form eines Korrekturfaktors f(φ ) berücksichtigt.
RFkorr = RF f(φ)
Der Korrekturfaktor f(φ ) ist eine Funktion der Phasenverschiebung φ, und wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem im Messgerät 3 verwendeten Kapazitätsmessverfahren gewählt.
Bei der Bestimmung der in Verbindung mit der Trennschichtüberwachung relevanten Referenzwerte RE, RFa und RFb wird völlig analog verfahren, wobei bei der Bestimmung der Referenzwerte RFa und RFb jeweils die physikalischen Eigenschaften, insb. die Leitfähigkeit σ a bzw. σ b , des entsprechenden Füllguts A bzw. B eingesetzt werden.
Ausgangspunkt für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Referenzwerte RE und RF bzw. RE, RFa und RFb ist typischer Weise eine vorgegebenen Messaufgabe. Die Messaufgabe kann z.B. darin bestehen, das über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eines Füllguts A zu überwachen, oder darin bestehen, festzustellen, ob die Lage einer zwischen zwei Füllgütern A, B bestehenden Trennschicht T eine vorbestimmte Höhe über- oder unterschreitet. Durch die Messaufgabe sind Randbedingungen, wie z.B. die Form des Behälters 1 , eine durch die Behälterform vorgegebene maximal zulässige Länge L der Sonde 5, die Einbauhöhe H der Sonde 5, und die Dielektrizitätskonstante ε r sowie die Leitfähigkeit σ des Füllguts A bzw. der Füllgüter A, B vorgegeben.
Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt anhand des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt, ob die vorgegebene Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden kann. Hierzu werden die für diese Messaufgabe relevanten Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb unter den durch die Messaufgabe gegebenen Randbedingungen bestimmt, und anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb überprüft, ob die Messaufgabe von einem entsprechend den Randbedingungen
ausgebildeten kapazitiven Messgerät 3 ausgeführt werden kann. Hierzu wird anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa und RFb abgeschätzt, ob eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg einen vorgegebenen Mindestwert überschreitet.
in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Grenzstandsüberwachung wird hierzu die Differenz der beiden Referenzwerte RE und RF bestimmt. Diese Differenz entspricht der durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg. übersteigt die Differenz eine vorgegebene Mindestgröße, so kann die Messaufgabe, hier die
Grenzstandsüberwachung, mit einem kapazitiven Messgerät ausgeführt werden. Rein messtechnisch betrachtet genügt eine Differenz von einem pF. Eine Kapazitätsänderung von einem pF ist messtechnisch ohne weiteres erfassbar. In der Praxis wird jedoch für reine Produkt bei Innenanwendungen mit konstanter Temperatur eine Mindestdifferenz von 4 bis 10 pF als
Mindestgröße vorgegeben, um eine allzu große Anfälligkeit der Messung gegenüber Kondensatbildung oder leichter Verschmutzung auszuschließen. Bei Anwendungen im Freien und/oder in Verbindung mit Verschmutzungen der Sonde verursachenden Füllgütern wird ein Grenzwert von 10 bis 20 pF vorgegeben.
Für die überwachung der Lage einer Trennschicht zwischen zwei Füllgütern A, B wird entsprechend die Differenz zwischen den Referenzwerten RFa und RFb bestimmt. Damit mit dem Messgerät zuverlässig erkannt werden kann, ob die Lage der Trennschicht die durch die Einbauhöhe H vorgegebene Höhe überoder unterschreitet, muss diese Differenz größer als eine vorgegebene Mindestgröße sein.
Kann die Messaufgabe mit einem kapazitiven Messgerät grundsätzlich ausgeführt werden, wird aus der Vielzahl der möglichen Messgerätvarianten, die unter den durch die vorgegebene Messaufgabe gegebenen Randbedingungen eänsetzbar sind, diejenige ermittelt, die hierfür am besten geeignet ist. Hierzu wird anhand der Referenzwerte RE, RF bzw. RE, RFa, RFb diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt, bei der eine durch die Messgröße verursachte änderung der zu messenden Kapazität über den Messbereich hinweg maximal ist.
Bei dem genannten Beispiel der in Fig. 1 dargestellten Messaufgabe ist das diejenige Variante, bei der die beiden Referenzwerte RE und RF die größte Differenz aufweisen. Bei der überwachung der Lage der Trennschicht T ist das diejenige Variante, bei der die Differenz zwischen den Referenzwerten RFa und RFb maximal ist.
Hierzu werden die anwendungs-spezifischen Randbedingungen, insb. die Dielektrizitätskonstante ε r und die Leitfähigkeit σ des bzw. der Füllgüter A, B, die Behälterform sowie die die Einbauhöhe H, vorgegeben, und die messgerät- spezifischen Parameter, insb. die Länge L der Sonde 5 bzw. die Länge des inaktiven Sondenabschnitts 15 und die Länge LA des aktiven Sondenabschnitts 17, das Material und die Dicke der Isotation 19, als Variablen betrachtet, die in einer mit den anwendungs-spezifischen Randbedingungen verträglichen Weise zur Findung einer für die Messaufgabe optimal geeigneten Messgerätvariante variiert werden. Für jede Messgerätvariante werden jeweils die Referenzwerte RE und RF, bzw. RE, RFa, RFb bestimmt, und diejenige Variante als optimal geeignet ausgewählt, bei der die Differenz der beiden Referenzwerte RE, RF maximal ist bzw. die Differenz der Referenzwerte RFa und RFb maximal ist.
Eine auf diese Weise ausgewählte optimal für die Messaufgabe geeignete Variante des Messgerät 3 kann dann dem Anwender angeboten und von diesem beim Hersteller bezogen werden. Entscheidet sich der Anwender, für die ihm angebotene Variante, so können die für die Messaufgabe relevanten Referenzwerte RE und RF bzw. RE, RFa, RFb auf die erfindungsgemäße Weise vorab bestimmt und bereits vor der Inbetriebnahme, vorzugsweise werkseitig, im Messgerät 3 abgespeichert werden. Dabei werden bei der Bestimmung der Referenzwerte RE und RF, bzw. RE, RFa, RFb vorzugsweise werkseätig bekannte messgerät-speztfische und/oder fertägungsbedingte Abmessungen und/oder physikalische Eigenschaften einzelner Komponenten des Messgeräts 3 berücksichtigt.
Bei der Grenzstandsüberwachung wird vorzugsweise anhand der Referenzwerte RE und RF der für das über- bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Füllstands maßgebliche Grenzwert für den Messwert der zu messenden Kapazität C ermittelt und in dem Messgerät abgespeichert. Der Grenzwert kann beispielsweise anhand des Referenzwertes RE für den bei leerem Behälter 1 zu erwartenden Kapazitätsmesswert bestimmt werden, in
dem diesem eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung δC, z.B. von 2 pF, hinzu addiert wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RE und RF ist.
Bei der Trennschichtüberwachung wird vorzugsweise anhand der Referenzwerte RE, RFa, RFb der für das über- bzw. Unterschreiten der zu überwachenden Lage der Trennschicht T maßgebliche Grenzwert für den Messwert der zu messenden Kapazität C ermittelt und in dem Messgerät 3 abgespeichert. Der Grenzwert kann beispielsweise ermittelt werden, indem dem betragsmäßig geringen der beiden Referenzwerte RFa, RFb eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung δC, z.B. von 2 pF, hinzu addiert wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RFa und RFb ist. Umgekehrt kann er ermittelt werden, indem von dem betragsmäßig größeren der beiden Referenzwerte RFa, RFb eine geringe vorgegebene Kapazitätsänderung δC, z.B. von 2 pF, abgezogen wird, die kleiner als die Differenz zwischen den beiden Referenzwerten RFa und RFb ist. Im Behälter 1 schwimmt das Füllgut mit dem geringeren spezifischen Gewicht, hier das Füllgut B, auf dem Füllgut mit dem größeren spezifischen Gewicht, hier dem Füllgut A. Weist das leichtere Füllgut B eine geringere Dielektrizitätskonstante ε r und damit auch einen geringeren Referenzwert RFb auf, als das schwerere Füllgut A, so bedeutet ein überschreiten des Grenzwertes, dass die
Trennschicht T sich oberhalb der durch die Einbauhöhe H vorgegebenen Lage befindet.
Weist das schwerere Füllgut A die geringere Dielektrizitätskonstante ε r und damit auch den geringeren Referenzwert RFa auf, so bedeutet ein überschreiten des Grenzwertes, dass die Trennschicht T sich unterhalb der durch die Einbauhöhe H vorgegebenen Lage befindet.
Das Messgerät 3 ist damit unmittelbar einsetzbar. Ein Abgleich des Geräts, bei dem die Referenzwerte Vorort mühsam insb. durch Referenzmessungen ermittelt werden müssen und die Grenzwerte abgeleitet werden müssen wird hierdurch überflüssig.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren in computergestützten Auswahl-, Auslegungs-, und/oder Besteliverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, wie sie bereits in der
Beschreibungseinleitung beschrieben worden sind, verwendet werden. Hierzu werden die einzelnen Verfahrensschritte in Software umgesetzt, die von einem
Computer ausgeführt werden, zu dem der Anwender über eine menügesteuerte Benutzeroberfläche unmittelbar oder über das Internet Zugang hat. Entsprechende Systeme auf denen diese Verfahren ausführbar sind, sind in den in der Beschreibungseinieitung zitierten Dokumenten beschrieben und daher hier nicht erneut im Detail beschrieben.
Der Anwender gibt dem System seine Messaufgabe und die zugehörigen Randbedingungen über eine entsprechend ausgebildete Benutzeroberfläche vor. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dann, wie oben beschrieben, die für die Messaufgabe relevanten Referenzwerte R 1 z.B. RE und RF oder RE, RFa und RFb, bestimmt. Das System überprüft anhand dieser Referenzwerte R gemäß dem oben beschriebenen Verfahren, ob die Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausführbar ist. Das Ergebnis dieser überprüfung wird dem Anwender über die Benutzeroberfläche mitgeteilt.
Ist die Messaufgabe von einem kapazitiven Messgerät ausführbar, so kann der Anwender fortfahren, indem er sieh über das rechnergestützte Auswahl-, Ausiegungs- und/oder Bestellverfahren für Messgeräte für industrielle Anlagen, für die von ihm vorgegebene Messaufgabe anhand der durch die Messaufgabe vorgegebenen Randbedingungen ein für diese Messaufgabe optimal ausgelegtes kapazitives Messgerät aus der Vielzahl der erhältlichen Messgerätvarianten auswählen und anbieten lässt. Dies geschieht gemäß dem oben bereits beschriebenen Verfahren. Auch hierbei werden die einzelnen Verfahrensschritte in Software umgesetzt und von dem Computer bzw. dem System ausgeführt, zu dem der Anwender über die menügesteuerte Benutzeroberfläche unmittelbar oder über das Internet Zugang hat.
Der Anwender hat dann die Möglichkeit, das optimal für seine Anwendung ausgelegte Messgerät über die Benutzeroberfläche zu besteilen. Bestellt der Anwender, so besteht die Möglichkeit, werkseitig vor der Auslieferung des
Messgeräts 3 anhand der bereits vorliegenden Referenzwerte R einen Abgleich des Messgeräts 3 vorzunehmen, bei dem die für die Messaufgabe für die bestellte Variante bereits bestimmten Referenzwerte R, sowie gegebenenfalls daraus abgeleitete Grenzwerte im Messgerät 3 abgespeichert werden. Bei den Grenzwerten handelt es sich hier insb. um die zuvor beschriebenen
Grenzwerte, bei denen der Füllstand, bzw. die Lage der Trennschicht die durch die Einbauhöhe H vorgegebene vorbestimmte Höhe über- bzw. unterschreitet.
Das Messgerät ist dann nach dessen Auslieferung sofort einsetzbar. Ein Abgleich Vorort ist nicht mehr erforderlich.
Der gesamte Vorgang der überprüfung ob ein kapazitives Messgerät für die Messaufgabe geeignet ist, der Auswahl der am besten geeigneten Messgerätvariante, sowie die Bestimmung der Referenzwerte für den Messgerätabgleich erfolgt anhand des erfindungsgemäßen Verfahren vollautomatisch und zuverlässig, ohne dass Anwender ein über seine ihm ohnehin bekannte Anwendung hinaus gehendes Fachwissen einbringen muss.
Next Patent: FROTHING MACHINE FOR CREATING FROTH FROM A DRINK CONTAINING MILK