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DE4318477A1 - Vorrichtung zur Messung eines Massestromes - Google Patents

Vorrichtung zur Messung eines Massestromes

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DE4318477A1
DE4318477A1 DE19934318477 DE4318477A DE4318477A1 DE 4318477 A1 DE4318477 A1 DE 4318477A1 DE 19934318477 DE19934318477 DE 19934318477 DE 4318477 A DE4318477 A DE 4318477A DE 4318477 A1 DE4318477 A1 DE 4318477A1
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DE
Germany
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measuring
capacitor
electrode
protective
mass flow
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DE19934318477
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Inventor
Klaus Prof Dr Ing Horn
Weiping Yang
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CLAAS KGAA, 33428 HARSEWINKEL, DE
Original Assignee
Claas KGaA mbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01D—HARVESTING; MOWING
    • A01D41/00—Combines, i.e. harvesters or mowers combined with threshing devices
    • A01D41/12—Details of combines
    • A01D41/127—Control or measuring arrangements specially adapted for combines
    • G—PHYSICS
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Massestromes, der am Ausgang eines Elevators an einer Förderschachtwandung, insbesondere einer Erntemaschine, umgelenkt wird, so daß er ein geschwindigkeitshomogenes, geschichtetes Dielektrikum in einem dort angeordneten Durchsatz-Meßkondensator bildet. Der erste Kondensatorbelag des Durchsatz-Meßkondensators ist massestromseitig, der zweite Kondensatorbelag beabstandet zum Massestrom angeordnet. Dabei ist der erste Kondensatorbelag mit einer Schutzelektrode eingefaßt, die durch einen Impedanzwandler mit dem eingefaßten Kondensatorbelag auf gleichem Potential gehalten ist. Der zweite Kondensatorbelag ist durch eine dem ersten Kondensatorbelag gegenüberliegende Förderschachtwand und seitliche Förderschachtwandbereiche gebildet.
Der Massestrom wird so durch den Durchsatz-Meßkondensator geleitet, daß er ein geschichtetes Dielektrikum mit einer annähernd homogenen Geschwindigkeitsverteilung bildet und durch einen zweiten Meßkondensator geführt, der stets ganz gefüllt ist. Die beiden Kapazitäten dieser Kondensatoren werden mit der gleichen Meßvorrichtung ermittelt, um ein Kapazitätenverhältnis zu bilden.
Die laufende Absolutwertmessung eines Körnerstromes in Erntemaschinen bringt erhebliche Vorteile bei der Nutzung des Meßwertes zur Regelung und Überwachung des Betriebes der Maschine, insbesondere der Vorschubgeschwindigkeit, der Siebantriebe und der Schnitthöhe. Sie erlaubt darüber hinaus die Erstellung eines Erntekatasters, das eine Grundlage für eine sich über Jahre erstreckende systematische, den jeweiligen Boden- und Ertragswerten angepaßte Bodenbearbeitung und Düngung ist.
Aus der P 42 27 922.4 ist eine derartige Vorrichtung bekannt. In dieser Vorrichtung ist für den ersten Kondensatorbelag des Durchsatz-Meßkondensators zusätzlich zur Schutzelektrode eine weitere Elektrode vorgesehen, die über einen Umschalter entweder mit der Schutzelektrode oder mit dem zweiten Kondensatorbelag elektrisch verbindbar ist.
Witterungsbedingt fallen Körnerströme mit relativ trockenen bzw. relativ feuchten Körnern in einer solchen Meßvorrichtung, insbesondere bei Erntemaschinen, an. Dabei bildet sich bei feuchten Körnern ein durchgehender, sich über den Kondensatorbelag und die Schutzelektrode erstreckender Wasserfilm. Aufgrund dieses Wasserfilmes fließen störende Leckströme zwischen den Elektroden. Dabei wird durch diese ohmschen Leitungsanteile die Kapazitätsmessung verfälscht.
In der oben beschriebenen Vorrichtung sind zur Vermeidung solcher Leckströme die Oberflächen der Meßelektroden sowie der Schutzelektroden mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Bei dieser Beschichtung ist jedoch die Abnutzung der Isolierschicht durch Abrieb - hervorgerufen durch den Körnerstrom - ein großes Problem. Darüber hinaus kommt es beim Durchsatz von trockenen Körnern aufgrund der Reibung zwischen den Körnern und der Isolierschicht zu ebenfalls störenden statischen Aufladungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannte Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines Massestromes dahingehend zu verbessern, daß bei einer Wasserschicht auf der Meßelektrode und der Schutzelektrode die Kapazitätsmessung nicht verfälscht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem zwei oder mehrere getrennte Schutzelektroden verwendet werden, die so elektronisch beschaltet sind, daß sie getrennt ansteuerbar Leckströme aufgrund eines Wasserfilmes, die vom Meßkondensatorbelag abfließen, kompensieren. Damit kann auf die problematische isolierende Beschichtung verzichtet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Auf den beiden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches nachfolgend näher erläutert wird. Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Meßvorrichtung mit Meßkondensator-Anordnung und Meßschaltung,
Fig. 2 einen Schnitt (I-I) durch den Förderkanal mit Meßkondensator, Schutzelektroden und Beschaltung.
Fig. 1 zeigt den oberen Teil eines Getreide-Elevators (E), dessen Förderschacht (G) eine Ablenkung des endseitig herausgeschleuderten Körnerstromes (KS) in den ersten Meßkondensator (MC) bewirkt, so daß der Körnerstrom (KS) darin ein geschichtetes Dielektrikum quer zu dem Feldlinienverlauf bildet. Die Gegenelektrode (MC2) kann isoliert angeordnet oder auch geerdet sein, je nach der angeschlossenen Meßanordnung.
Abstromseitig ist in dem Körnerstrom ein Vergleichskondensator (VC) angeordnet, der einen so geringen unteren Auslauf aufweist, daß er im kontinuierlichen Betrieb stets bis zum Überlaufen mit Körnern gefüllt ist.
Am Antrieb des Elevators (E) ist ein Tachometer (TM) angeordnet, der ein Meßsignal (SV) der mittleren Körnerstromgeschwindigkeit (V) an einem Auswerteprozessor (MP) signalisiert.
Das Kapazitätenverhältnis aus Durchsatz-Meßkondensator (MC) und Vergleichskondensator (VC), das gemäß den genannten Funktionen umgewandelt ist, wird mit dem jeweiligen Wert des Geschwindigkeitssignals (SV) und einem vorgegebenen, spezifischen Dichtewert (SD) multipliziert, wodurch sich der Massestromwert ergibt, der einer Anzeigevorrichtung (A) direkt oder über einen Integrator zugeführt wird.
Das Signal (SV) des Geschwindigkeitssensors entspricht einer mittleren Geschwindigkeit der Körner, die beim Übergang der Elevator-Schaufeln 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 Stöße, daß sie eine mittlere Geschwindigkeit (V) geringer Streubreite annehmen.
Da die Funktion der Schichtung und der 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 (SD), 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.
Eine Meßschaltung (M) erbringt bei einfachem Aufbau eine Digitalisierung der Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren (MC, VC).
Die Meßelektroden (MC1, VC1) der beiden Kondensatoren sind über einen Umschalter (US1) gesteuert wahlweise mit dem Eingang der Meßschaltung (M) verbunden. Dieser wird von einer Stromquelle (IG) gespeist und führt auf einen Rampensignalverstärker (RV), dessen Ausgang auf einen Vergleicher (W) führt, dessen anderer Eingang mit einer Vergleichsspannung (UV) gespeist ist.
Der Auswerteprozessor (MP) ist eingangsseitig mit dem Ausgang eines Zählers (CT) verbunden, der von Taktsignalen (CL) laufend am Zählereingang beaufschlagt ist. Der Ausgang des Vergleichers (W) steuert jeweils dann, wenn die Rampenspannung der Vergleichsspannung (UV) entspricht, einen Interrupteingang (IR) des Auswerteprozessors (MP) 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 Speicher übernommen, worauf jeweils die beiden gewonnenen 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 einem Dichtewert (SD) verknüpft, so daß sich jeweils der Massestrom ergibt, der direkt oder integriert auf eine Ausgabevorrichtung (A) gegeben wird.
Gemäß der Erfindung ist der Durchsatz-Meßkondensator (MC) mit zwei getrennten Schutzelektroden (R1, R2) ausgestattet. Die Schutzelektroden (R1, R2) sind so auf die Seitenwände des Förderschachtes (G) heruntergezogen, daß die Feldlinien zwischen der Meßelektrode (MC1) und der Gegenelektrode (MC2) annähernd parallel verlaufen und somit eine berechenbare Abhängigkeit von der Körnerschichtdicke gegeben ist. Die Schutzelektroden (R1, R2) sind der Meßelektrode (MC1) potentialmäßig nachgeführt, wobei sie so elektronisch beschaltet sind, daß sie getrennt ansteuerbar Leckströme, die von der Meßelektrode (MC1) abfließen bzw. dieser zufließen, kompensieren. Diese Leckströme treten bei einem durchgehenden, sich über die Elektrodenoberflächen erstreckenden Wasserfilm auf. Sie fließen zwischen der Meßelektrode (MC1) und der/den Schutzelektrode/n, zwischen der Meßelektrode (MC1) und der Gegenelektrode (MC2) sowie zwischen der/den Schutzelektrode/n und der Gegenelektrode (MC2). Durch diese ohmschen Leitungsanteile wird die Kapazitätsmessung verfälscht. In Fig. 2 sind zur Verdeutlichung die entsprechenden Ersatzwiderstände (RA, RB, RC), über die die Leckströme fließen, eingezeichnet. Über diese Widerstände geht ein Teil des von der Stromquelle (IG) gelieferten Stromes verloren. Jeder der beiden Schutzelektroden (R1, R2) ist jeweils ein Impedanzwandler (OP1, OP2) zugeordnet. Diese Impedanzwandler (OP1, OP2) werden von einem Verstärker (OP3) angesteuert, der der Meßelektrode (MC1) zugeordnet ist und eingangsseitig von der Meßspannung (UM) gespeist wird.
So wird über den Impedanzwandler (OP2) und die Schutzelektrode (R2) hauptsächlich der Leckstrom kompensiert, der zwischen der Meßelektrode (MC1) und den Schutzelektroden (R1, R2) fließt. Über den Impedanzwandler (OP1) und die Schutzelektrode (R1) wird hauptsächlich der Leckstrom zwischen der Meßelektrode (MC1) und der Gegenelektrode (MC2) sowie zwischen den Schutzelektroden (R1, R2) und der Gegenelektrode (MC2) kompensiert. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (OP3) und das Aufteilungsverhältnis der Kompensationsströme auf jeweils die Schutzelektroden (R1, R2) sind über einen veränderlichen Widerstand (R) auf den optimalen Wert einstellbar. In einer Ausführungsform sind die Impedanzwandler (OP1, OP2) und der Verstärker (OP3) von Operationsverstärkern gebildet.
Der Vergleichskondensator (VC) besitzt ebenfalls zwei Schutzelektroden (VR1, VR2), die die Meßelektrode (VC1) einfassen. Die Meßelektrode (VC1) und die Schutzelektroden (VR1, VR2) können über Umschalter (US1, US2, US3) mit der Kompensationsschaltung (K) verbindbar sein, so daß für den Durchsatz-Meßkondensator (MC) und den Vergleichskondensator (VC) nur eine gemeinsame Kompensationsschaltung (K) notwendig ist. In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersicht nur der Umschalter (US1) dargestellt.
Bei den Umschaltern (US1, US2, US3) handelt es sich vorzugsweise um MOSFET-Transistoren oder Relaiskontakte.
Die Messung der Kapazität des vollständig gefüllten Vergleichskondensators (VC) wird weiterhin vorteilhaft dazu genutzt, gemäß einer Eichfunktion, die den Zusammenhang des Feuchtigkeitsgehaltes des Schüttgutes in Abhängigkeit von der gemessenen Kapazität angibt, die jeweilige Feuchtigkeit des Meßgutes zu bestimmen und durch eine Anzeige oder einen Ausdruck auszugeben. Dabei läßt sich dieser Kondensator vorteilhaft als Zylinderkondensator ausgestalten, wodurch nur geringe Randzonenbereiche mit inhomogener Feldverteilung gegeben sind.
Diese Vorrichtung kann in Mähdreschern, Stroh-, Gras- oder Maishäckslern und in Heu-, Stroh- oder Grasaufnehmern verwendet werden.
Eine derartige Vorrichtung ist darüberhinaus überall dort einsetzbar, wo die Kapazität eines geschichteten Dielektrikums mit einem relativ hohen Feuchtkeitsgehalt zu messen ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung eines Massestromes, der am Ausgang eines Elevators (E) an einer Förderschachtwandung (G), insbesondere einer Erntemaschine, umgelenkt wird, so daß er ein geschwindigkeitshomogenes, geschichtetes Dielektrikum in einem dort angeordneten Durchsatz-Meßkondensator (C1) bildet, dessen füllstandsabhängige Kapazität laufend gemessen wird,
  • - wobei dessen erster Kondensatorbelag (MC1) massestromseitig und dessen zweiter Kondensatorbelag (MC2) beabstandet zum zum Massestrom angeordnet ist,
  • - und wobei der erste Kondensatorbelag (MC1) mit einer Schutz­ elektrode (R1) eingefaßt ist, die durch einen Impedanzwandler mit dem eingefaßten Kondensatorbelag (MC1) auf gleichem Potential gehalten ist,
  • - und wobei der zweite Kondensatorbelag (MC2) durch eine dem ersten Kondensatorbelag (MC1) gegenüberliegende Förder­ schachtwand und seitliche Förderschachtwandbereiche gebildet ist,
  • - und wobei zusätzlich zur Schutzelektrode (R1) mindestens eine weitere Teilelektrode (R2) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektrode (R2) als zweite getrennte Schutzelektrode dient, wobei die Schutzelektroden (R1, R2) und die Meßelektrode (MC1) über eine Kompensationsschaltung (K) so beschaltet sind, daß die Schutzelektroden (R1, R2) dem Potential der Meßelektrode (MC1) nachgeführt sind und dabei über die Kompensationsschaltung (K) und die Schutzelektroden (R1, R2) Leckströme ausgeglichen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßelektrode (MC1) ein eingangsseitig von der Meßspannung (UM) gespeister Verstärker (OP3) und jeder Schutzelektrode (R1, R2) ein Impedanzwandler (OP1, OP2) zugeordnet ist, wobei die Impedanzwandler (OP1, OP2) vom Verstärker (OP3) gesteuert sind und Impedanzwandler (OP1, OP2) und der Verstärker (OP3) die Kompensationsschaltung (K) bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (OP3) und das Aufteilungsverhältnis der Kompensationsströme auf jeweils die Schutzelektroden (R1, R2) über einen veränderlichen Widerstand (R) am Verstärker (OP3) auf den optimalen Wert einstellbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandler (OP1, OP2) und der Verstärker (OP3) von Operationsverstärkern gebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schutzelektroden (R1, R2) zumindest teilweise auf den Förderschachtseitenwänden zwischen den Kondensatorbelägen (MC1, MC2) erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz-Meßkondensator (MC) über eine Meßschaltung (M) mit einem Auswerteprozessor (MP) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (M) über einen Umschalter (US1) mit einem Vergleichskondensator (VC) eingangsseitig verbindbar ist, der mit einem Teilmassestrom ständig gefüllt ist, wobei die Meßschaltung (M) dessen Vergleichskapazität zur Kapazität des Durchsatz-Meßkondensators (MC) ins Verhältnis setzt und dieses Verhältnis dem Auswerteprozessor (MP) zuführt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskondensator (VC) ebenfalls mindestens zwei Schutzelektroden (VR1, VR2) aufweist und der Vergleichskondensator (VC) über Umschalter (US1, US2, US3) mit der Kompensationsschaltung verbindbar ist.
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