DE2521687B2 - Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandsmessung - Google Patents
Meßwertwandler zur kapazitiven FüllstandsmessungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandmessung mit einem
Hochfrequenzoszillator, einem an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators angeschlossenen Spannungsteiler,
der einen in seiner Kapazität vom Füllstand abhängigen Meßkondensator in Reihe zu einer Festkapazität
enthält, einem Spannungsregelkreis, der die ·>■>
Oszillatorausgangsspannung so regelt, daß die Meßkondensatorspannung
konstant gehalten wird, und mit einem an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators
angeschlossenen Meßgleichrichter.
In bekannter Weise werden bei der kapazitiven Füllstandmessung an V/echselspannung liegende und in
das Füllgut eintauchende Meßsonden verwendet, wobei der zwischen Meßsonde und Bezugselektrode fließende
kapazitive Blindstrom ein Maß für den Füllstand darstellt »
Aus der Praxis ist der den Meßwert verfälschende Einfluß von Füllgütern bekannt, deren Leitwert
Schwankungen unterworfen ist Weiter geben leitende Überzüge an dem nicht vom Füllgut bedeckten
Sondenteil zu Meßwertverfälschungen Anlaß, da sie wi
sich als reeller Leitwert parallel zur Meßkapazität präsentieren.
Diese Erscheinungen treten insbesondere bei den beispielsweise aus der DE-AS 18 01772 bekannten
Meßwertwandlern auf, bei denen eine Kapazitätsmeß- hi
schaltung einen der Meßkapazität im wesentlichen proportionalen Gleichstrom erzeugt der über einen
Widerstand fließt, an den ein Anzeigegerät angeschlossen ist, das durch den Spannungsabfall am Widerstand
gesteuert wird. In diesem Fall zeigt der Ausschlag des Anzeigegeräts direkt die Kapazität des Meßkondensators
an, jedoch behaftet mit den zuvor erwähnten Meßwertverfälschungen.
Mit dem Meßwertwandler der eingangs angegebenen Art werden die vorstehend geschilderten Einflüsse zwar
gemildert, aber er weist andere meßtechnische Nachteile auf, die seine breite Anwendung verbieten.
Bei diesem Meßwertwandler wird nicht der über die Meßkapazität fließende Strom oder der dadurch am
Meßkondensator verursachte Spannungsabfall unmittelbar als Maß für den Füllstand verwendet, sondern die
act kapazitiven Spannungsteiler liegende Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators wird so geregelt,
daß die Spannung über der in Serie zu der Festkapazität liegenden Meßkapazität konstant bleibt; als Maß für
den Füllstand wird die Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators verwendet, die theoretisch in linearem
Zusammenhang mit der Größe der Meßkapazität steht Die Regelung der Osziüatorausgangsspannung erfoigt
beispielsweise dadurch, daß die an der Meßkapazität abgegriffene Spannung nach Spitzengleichrichtung dem
einen Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt wird, an dessen anderem Eingang eine feste Bezugsspannung liegt; die Ausgangsspannung dzs Differenzverstärkers
steuert die Versorgungsspannung des Hochfrequenzoszillators so, daß die Spannung am
Meßkondensator auf einem Sollwert gehalten wird. Die Ausgangsspannung das Hochfrequenzoszillators steht
nach Gleichrichtung in dem Meßgleichrichter als Meßsignal zur Weiterverarbeitung in einer über
beliebig lange Leitungen verbundenen Anzeigeeinheit zur Verfügung.
In der Praxis hat es sich aber gezeigt daß die zuvor geschilderte Schaltung erhebliche Mängel aufweist Sie
hat, wie alle bekannten kapazitiven Meßwertwandlerschaltungen, wenn sie mit relativ tiefer Meßfrequenz
weit unter 1 MHz betrieben wird, αϊπ Nachteil, daß
Leitwertveränderungen der Füllgüter, vornehmlich von Flüssigkeiten, zu einer oft untragbaren Verfälschung des
Meßwerts führen. Andererseits wurde rechnerisch nachgewiesen und praktisch bestätigt, daß bei hohen
Meßfrequenzen, z. B. größer als 1 MHz, beim Einsatz praktisch üblicher Sondenlängen untragbare Meß-Nichtlinearitäten
auftreten. Auch war die Verarbeitung höherfrequenter Meßsignale in bezug auf Linearität und
Temperaturstabilität des Meßwertumformers zumindest auf für die breite Anwendung kostengerechte Art
bis zum neuerlichen Erscheinen modernster Bauelemente kaum sinnvoll.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Meßwertwandlers zur kapazitiven Füllstandmessung,
der mit einer relativ tiefen Meßfrequenz arbeiten kann, so daß es praktisch keine Beschränkungen bezüglich der
verwendbaren Sondenlängen gibt und wegen der niedrigen Meßfrequenz die Signalverarbeitung auch bei
sehr kleinen Sondenmeßspannungen unproblematisch ist, und bei dem der den Meßwert verfälschende Einfluß
von parallel zum Meßkondensator liegenden reellen Leitwerten eliminiert ist.
Ausgehend von einem Meßwertwandler der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß
a) dem Meßkondensator ein als einstellbarer ohmscher Widerstand wirkendes Stellglied parallel
geschaltet ist, und
b) ein Phasenregelkreis mit einer Phasenvergleichsschaltung vorgesehen ist, die das Stellglied im Sinne
einer Konstanthaltung der Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der Phasenvergleichsschaltung,
der OszHlatorausgiingsspannung
einerseits und der Meßkondensatorspannung andererseits steuert
Bei dem nach dar Erfindung ausgeführten Meßwertwandler
bleiben die Vorteile der mit Regelung der Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators arbeitenden
Meßwertwandler in vollem Umfang erhalten; darüber hinaus wird der den Meßwert verfälschende
Einfluß von parallel zum Meßkondensator Liegenden reellen Leitwerten eliminiert, insbesondere der Einfluß
der veränderlichen Leitfähigkeit der Füllgüter und der Einfluß von leitenden Oberzügen an der Meßsonde. Die
Wirkung der Kompensationsschaltung setzt keine hohe Meßfrequenz voraus; man ist daher bei der Auswahl der
Meßfrequenz frei und kann sie beispielsweise so tief iegen, daß die Verarbeitung der McSsignale mit
preiswerten Bauelementen möglich ist Zugleich werden durch die niedrige Meßfrequenz die mit höheren
Meßfrequenzen verknüpften Meß-Nichtlinearitäten vermieden.
Aufgrund der Tatsache, daß bei der gewählten tiefen Meßfrequenz eine Verarbeitung der Meßsignale unproblematisch
ist, kann die Meßspannung über dem Meßkondensator sehr klein sein, was die Anwendbarkeit
eines Oszillators sehr geringer Leistung ermöglicht ein Umstand, der vor allem der Schaltungsauslegung
nach Richtlinien des Explosionsschutzes Rechnung trägt
Schließlich ist eine tiefe Meßfrequenz in Verbindung mit einer kleinen Meßspannung in bezug auf die r>
Störstrahlung günstig.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Phasenvergleichsschaltung und das
Stellglied so ausgebildet sind, daß die Phasenregelung im Sinne der Aufrechterhaltung der Phasendifferenz
Null erfolgt
Das Stellglied ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert deren einzige Figur das
Blockschaltbild eines Meßwertwandlers zeigt
Die dargestellte Schaltung enthalt einen Hochfrequenzoszillator
1, an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, der die durch einen veränderlichen
ivießkondensiiiür 2 dargestellte Mcükapazität Cm in ;o
Serie zu einem Festkondensator 3 mit der Kapazität Cf enthält Die Meßkapazität Cm ist beispielsweise die von
der Füllguthöhe abhängige Kapazität einer in einem Behälter angeordneten Meßsonde.
Der Hochfrequenzoszillator 1 ist so ausgebildet, daß v>
seine Ausgangsspannung Uhf durch eine seinem Steuereingang zugeführte Spannung steuerbar ist,
beispielsweise durch Veränderung seiner Stromversorgungsspannung. Es ist ein Spannungsregelkreis vorgesehen,
der die Oszillatorausgangsspannung Uhf so regelt, an
daß die Spannung Ucm über dem Meßkondensator 2 konstant gehalten wird
Dieser Spannungsregelkreis enthält einen Präzisionsgleichrichter 4, der die Spannung Ucm gleichrichtet Die
vom Präzisionsgleichrbhter 4 abgegebene Gleichspan- <r>
nung wird dem einen Eingang eines Differenzverstärkers
5 zugeführt, an dessin anderen Eingang die von einer Referenzspannungsquelle 6 gelieferte Referenzspannung
Un angelegt ist Der Differenzverstärker 5
gibt eine Spannung ab, die der Differenz seiner Eingangsspannungen entspricht Diese Spannung wird
dem Steuereingang 4 des Hochfrequenzoszillators 1 zugeführt und bewirkt eine Änderung der Oszillatorausgangsspannung
Uhf in dem Sinne, daß die Differenz zwischen der Meßkondensatorspannung Ucm und der
Referenzspannung zu Null gemacht wird. Die Meßkondensatorspannung Ucm wird dadurch auf einem durch
die Referenzspannung Ur bestimmten konstanten Wert gehalten.
Wenn sich infolge einer Änderung der Füllguthöhe die Kapazität Cm des Meßkondensators 2 ändert, ändert
sich das Teilverhältnis des Spannungsteilers 2,3 so, daß
sich die Meßkondensatorspannung Ucm ebenfalls zu ändern sucht Dieser Änderung wird durch die Regelung
der Oszillatorausgangsspannung Uhf entgegengewirkt Wenn angenommen wird, daß nur die Kapazitäten Cf
und Cm der Kondensatoren 2 und 3 vorhanden sind,
steht die Amplitude der Oszillaiora; .gangsspannung
Uhf in linearem Zusammenhang mit de Kapazität Cm
des Meßkondensators 2, und sie kann daher als Meßgröße für die Füllguthöhe verwendet werden. Zu
diesem Zweck ist an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators \ ein Präzisions-Meßgieichrichter 7 angeschlossen,
der am Ausgang eine der Oszillatorausgangsspannung L/f/f-proportionale Gleichspannung liefert, die
als Meßsignal zur Anzeige und Weiterverarbeitung zur Verfügung steht und über beliebig lange Leitungen
übertragen werden kann.
Diese idealen Verhältnisse sind aber in Wirklichkeit nicht vorhanden, denn es liegen stets reelle Störleitwerte
parallel zum Meßkondensator. Diese reellen Störleitwerte, die in der Zeichnung durch einen gestrichelten
Widerstand 8 angedeutet sind, ergeben sich insbesondere durch die Leitfähigkeit des Füllguts, die im
allgemeinen veränderlich ist, sowie auch durch Ansätze an der Meßsonde und durch andere Störeinflüsse. Jede
Änderung dieser reellen Störleitwerte wirkt sich auf die Meßkondensatorspannung Ucm aus, der durch den
Spanr.dngsregelkreis entgegengewirkt wird, so daß sie
sich im Meßsignal wie eine Änderung der Füllguthöhe auswirkt Diese Verfälschung des Meßwerts ist um so
größer, je niedriger die Meßfrequenz des Hochfrequenzoszillators 1 ist Es ist aber nicht möglich, den
Einfluß der reellen Störleitwerte durch eine beliebige Erhöhung der Meßfrequenz zu eliminieren, weil bei
hohen Meßfrequenzen, die beispielsweise über 1 MHz liegen, untragbare Meß-Nichtlinearitäten bei den
praktisch üblichen Sondenlängen auftreten. Außerdem entstehen bei der Verarbeitung höherfrequenter Meßsignale
hinsichtlich der Linearität, Temperaturstabilität und Störstrahlung des Meßwertumformers Probleme,
die nur mit erhöhtem Aufwand und entsprechend höheren Kosten zu lö: en sind.
Zur Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten ist bei der dargestellten Schaltung zusätzlich zu dem
beschriebenen Spannungsregelkreis ein Phasenregelkreis vorgesehen, uer den schädlichen Einfluß der
parallel zum Meßkondensator 2 liegenden Störleitwertc 8 auf das Meßergebnis eliminiert Dieser Phaserregelkreis
enthält eine Phasenvergleichsschaltung 9, deren Referenzeingang R die Ausgangsspannung Uhf des
Hochfrequenzoszillators 1 und deren Signaleingang S die Meßkondensatorspannung Ucm empfängt Der
Ausgang der Phasenvergleichsschaltung 9 ist mit dem Steuereingang eines Stellglieds 10 verbunden, das als
einstellbarer ohmscher Widerstand Rv wirkt und
parallel zum Meßkondensator 2 geschaltet ist. Außerdem ist ein reeller Festwiderstand 11 mit dem
Widerstandswert Rf parallel zum Festkondensator 3 geschaltet.
Die Phasenvergleichsschaltung 9 mißt die Phasenverschiebung zwischen ihren Eingangsspannungen und gibt
am Ausgang ein Signal ab, das von der gemessenen Phasenverschiebung abhängt. Dieses Signal wirkt auf
das Stellglied 10 ein und verstellt dessen Leitwert, bis die Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der
Phasenvergleichsschaltung 9 auf einen nahe bei Null liegenden konstanten Sollwert gebracht ist.
Die Schaltungselemente 2, 3, 10 und 11 bilden somit
einen abgeglichenen Spannungsteiler, dessen Abgleich durch den Phasenregelkreis bei allen Meßkapazitäten
innerhalb des Meßbereichs der Schaltung aufrechterhalten wird.
bereits eine von der Dimensionierung abhängige
Phasenverschiebung ergibt, muß auch bei verlustfreier Meßkapazität CM der Widerstand Kvdes Stellgliedes 10
einen endlichen Wert haben, damit die Bedingung der Phasenverschiebung Null zwischen den Eingangsspannungen
der Phasenvergleichsschaltung 9 erfüllt ist. In diesem Fall lautet die Abgleichbedingung:
C1
R,
R,
R,
Wenn ein reeller Störleitwert 8 parallel zum Meßkondensator 2 auftritt, oder wenn sich ein
vorhandener reeller Störleitwert ändert, sucht sich die Phasenlage des Spannungsteilers zu verschieben. Dieser
Änderung wirkt der Phasenregelkreis durch Änderung des Widerstands R ν des Stellglieds 6 entgegen, wodurch
die Änderung des Störleitwerts kompensiert wird, die somit keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat
Dagegen haben Änderungen der Meßkapazität Cm Ober den Spannungsregelkreis 4,5 eine linear abhängige
Änderung der Oszillatorausgangsspannung Uhf und
damit des vom Meßgleichrichter 7 gelieferten Meßsignals
zu Folge.
Der Abgleich und das Teilverhaltnis eines abgeglichenen
Spannungsteilers der beschriebenen Art sind frequenzunabhängig. Aus diesem Grund sind an die
Frequenzkonstanz des Hochfrequenzoszillators 1 keine Anforderungen zu stellen.
' In der Praxis liegen die Werte des Widerstands Λ ν des
Stellglieds 10 in der Größenordnung von einigen Kiloohm. Dadurch wird zugleich auf elegante Weise das
Prnhiem eines wegen möglicher statischer Aufladungen
der Meßkapazität notwendigen Ableitwiderstandes parallel zur Meßkapazitat gelöst Ohne Vorhandensein
des Phasenregelkreises würde ein solcher Ableitwiderstand notwendigerweise zu Meß-Nichtlinearitäten führen.
Das Stellglied 10 ist in der Zeichnung symbolisch als einstellbarer Widerstand angedeutet In der Praxis wird
dieses Stellglied elektronisch ausgebildet, vorzugsweise als Feldeffekttransistor, dessen Source- und Drain-Anschlüsse
itiii den Klemmen des Meßkondensators 2
verbunden sind und dessen Gate-Anschluß an dem Ausgang der Phasenvergleichsschsltung 9 angeschlossen
ist
Claims (3)
1. Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandmessung mit einem Hochfrequenzoszillator, einem an
den Ausgang des Hochfrequenzoszillator angeschlossenen Spannungsteiler, der einen in seiner
Kapazität vom Füllstand abhängigen Meßkondensator in Reihe zu einer Festkapazität enthält, einem
Spannungsregelkreis, der die Oszillatorausgangs- ι ο spannung so regelt, daß die Meßkondensatorspannung
konstant gehalten wird, und mit einem an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators angeschlossenen
Meßgleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß
a) dem Meßkondensator ein als einstellbarer ohmscher Widerstand (Rv) wirkendes Stellglied
parallel geschaltet ist, und
b) ein Phasenregelkreis mit einer Phasenvergleichsschaltung (9) vorgesehen ist, die das
Stellglied im Sinne einer Konstanthaltung der Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen
der Phasenvergleichsschaltung (9), der Oszillatorausgangsspannung (LJhf) einerseits
und der Meßkondensatorspannung (Ucm) andererseits
steuert
2. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichsschaltung
und das Stellglied so ausgebildet sind, daß die Phasenregelung im Sinne der Aufrechterhaltung der m
Phasendifferenz WuIl erfolgt
3. Meßwertwandler nach einc.-i der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß das Stellglied
ein Feldeffekttransistor ist
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19752521687 DE2521687C3 (de) | 1975-05-15 | 1975-05-15 | Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandsmessung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19752521687 DE2521687C3 (de) | 1975-05-15 | 1975-05-15 | Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandsmessung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2521687A1 DE2521687A1 (de) | 1976-11-18 |
DE2521687B2 true DE2521687B2 (de) | 1979-08-16 |
DE2521687C3 DE2521687C3 (de) | 1980-04-30 |
Family
ID=5946656
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19752521687 Expired DE2521687C3 (de) | 1975-05-15 | 1975-05-15 | Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandsmessung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2521687C3 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3517781A1 (de) * | 1985-05-17 | 1986-10-16 | Heinrich Wüst KG, 7536 Ispringen | Rc - oszillator mit x-messkondensatoren |
DE3812687A1 (de) * | 1988-04-16 | 1989-10-26 | Duerrwaechter E Dr Doduco | Kapazitiver sensor zum bestimmen des niveaus einer fluessigkeit in einem behaelter |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2945965A1 (de) * | 1979-11-14 | 1981-05-27 | Vdo Adolf Schindling Ag, 6000 Frankfurt | Einrichtung zur kapazitiven fuellstandsmessung |
DE3041914A1 (de) * | 1980-11-06 | 1982-06-16 | Vdo Adolf Schindling Ag, 6000 Frankfurt | Einrichtung zur kapazitiven fuellstandsmessung |
DE3824231A1 (de) * | 1988-07-16 | 1990-01-18 | Endress Hauser Gmbh Co | Anordnung zur kapazitiven fuellstandmessung |
DE102012201226B4 (de) | 2012-01-27 | 2020-06-04 | Ifm Electronic Gmbh | Sonde für einen kapazitiven Füllstandsensor, Admittanzmeßschaltung für einen kapazitiver Füllstandsensor mit einer solchen Sonde und Verwendung einer solchen Admittanzmeßschaltung |
-
1975
- 1975-05-15 DE DE19752521687 patent/DE2521687C3/de not_active Expired
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2521687C3 (de) | 1980-04-30 |
DE2521687A1 (de) | 1976-11-18 |
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