DE2603185C2

DE2603185C2 - Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters

Info

Publication number: DE2603185C2
Application number: DE2603185A
Authority: DE
Inventors: Otto Mitlödi Treier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-01-28
Publication date: 1986-05-28
Also published as: GB1558922A; SE422370B; CH611022A5; AT385357B; ATA17777A; US4069710A; JPS52104159A; FR2339843A1; DE2603185A1; FR2339843B1; IT1077971B; SE7700737L

Description

a) die Sondenkapazität (15) und der Kondensator (12) durch eine derart niederohmige Sekundärwicklung (6b) miteinander verbürgen sind, daß Spannungskonstanz an den beiden Sekundäranschlüssen (7,8) erreicht wird, und

b) die Sekundäranschlüsse (7, 8) über je eine Gleichrichteranordnung (21, 22) an eine Meßeinrichtung (23) zum Messen der betragsmäßigen Differenz der dort anliegenden Spannungswerte gegen Masse angeschlossen sind.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der beiden Gleichrichteranordnungen (21,22) als Meßeinrichtung die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (23) geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Sondenkapazität (15) ein Kompensationskondensator (14) geschaltet ist

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzübertrager (6) in einen Schwingkreis (1) einbezogen und die Kapazität der an den Sekundäranschlüssen liegenden Kondensatoren (12, 14, 15) wenigstens teilweise als Oszillator-Kapazität vorgesehen ist

5. Anordnung nach e:nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein abgleichbarer Kondensator (14, 17) verwendet ist

6. Anordnung nach einem der vorangebenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kondensator eine Kapazitätsdiode (17) ist

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren einen gemeinsamen Umlade-Widerstand (30) aufweisen, welcher eine Mittelanzapfung (31) der Sekundärwicklung (6b) mit Masse verbindet

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sekundäranschluß (7,8) über einen Umlade-Widerstand (11,13) mit Masse verbunden ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters mit einer am Behälter vorgesehenen Meßsonde sowie

65 eiiiem Hochfrequenzübertrager, der primärseitig an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, wobei der eine Sekundäranschluß der beiden Sekundäranschlüsse des Hochfrequenzübertragers über einen Kondensator, und wobei der andere Sekundäranschluß über die Sondenkapazität mit Masse verbunden ist, während die Sekundärwicklung des Hochfrequenzübertragers gegen Masse über wenigstens einen Ableitwiderstand und die Kapazitäten gleich und wechseistrommäßig hochohmig gegenüber Masse geschaltet sind. ·

Diese Merkmale sind aus »Grave, Elektrische Messung nichtelektrischer Größen, 1962 S. 260-266, insbesondere Abb. 216«, zu ersehen. Das Problem der Messung mittels kapazitiven Meßsonden ist seit vielen Jahren bekannt Praktisch sämtliche Lösungen schlagen dabei Brückenschaltungen vor, wobei ein Spannungsmesser im Nullzweig der Brücke und Nullabgleich vorgesehen ist (DE-AS ! 2 29 743 Sp. 3 Zeilen 31 ff).

Die Störanfälligkeit dieser Schaltung gegenüber Spannungsschwankungen der Versorgungsquelle und vor allem im Hinblick auf Frequenzschwankungen ist bekannt Trotzdem wird das Prinzip der Brückenschaltungen mit Anordnung des Meßinstruments im Nullzweig beibehalten, auch wenn ein Differenzverstärker vorgesehen wird (DE-AS 12 28 743: Der Differenzverstärker DlO liegt im Nullzweig der Brücke und gleicht automatisch ab).

Die bekannten Anordnungen — vgl. beispielsweise die US-PS 32 13 439 — weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf, welche konstrukticnsbedingt insbesondere darin liegen, daß aufwendige Stabilisierung der Schwingkreise erfolgen muß, daß teure und schwer abgleichbare Bandfilter eingesetzt werden, daß Meßbrükken mit hohen Genauigkeitsanforderungen verwendet werden müssen, wobei zudem die in der Null-Diagonale abgenommene Spannung bei der Annäherung an den Sollwert außerordentlich klein wird, so daß die Auswertung Schwierigkeiten bereitet Dazu kommt, daß die Empfindlichkeit der bekannten Anordnungen bereits konsiruktionsseitig relativ nieder gehalten werden muß, weil sonst durch z. B. temperatur-bedingte Abweichungen der Kapazität und/oder der Frequenz Fehlsignale ausgelöst wurden.

Insgesamt sind demnach die bekannten Anordnungen teuer in der Herstellung, aufwendig in der Justierung und darüber hinaus relativ unempfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden und eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes eines Behälters zu schaffen, welche bei wesentlich verbesserter Empfindlichkeit billiger in der Herstellung und einfacher in der Justierung und Einstellung ist Außerdem sollen die temperatur-bedingten Abweichungen auf ein Minimum reduziert sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die Sondenkapazität und der Kondensator durch eine derart niederohmige Sekundärwicklung miteinander verbunden sind, daß Spannungskonstanz an den beiden Sekundäranschlüssen erreicht wird, und

b) die Sekundäranschlüsse über je eine Gleichrichteranordnung an eine Meßeinrichtung zum Messen der betragsmäßigen Differenz der dort anliegenden Spannungswerte gegen Masse angeschlossen sind.

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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben des Übertragers mit der Mittelanzapfung geerdet wer-

sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8. den muß.

Ersichtlicherweise wird durch die erfindungsgemäöe Nachstehend sind bevorzugte erfindungsgemäße

Anordnung der Bau-Aufwand auf ein Minimum redu- Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnung nä-

ziert. Außerdem wird insbesondere dann, wenn an je- 5 her beschrieben; es zeigt

dem Sekundär-Anschluß des Hochfrequenzübertragers Fig. 1 die schematische Darstellung einer Anordeine RG-Schaltung liegt, jede Frequenzschwankung des rnrng mit den Merkmalen der Erfindung, und
Hochfrequenz-Generators kompensiert, da die BeIa- F i g. 2 einen Ausschnitt aus der Anordnung gemäß stung des Hochfrequenzübertragers auf beiden Seiten Fig. 1 mit einer Kompensations-Anordnung,
die gleiche Änderung erfährt und somit die an den 10 Die dargestellte Anordnung nach der Erfindung weist Gleichrichtern gegenüber Masse anliegenden Span- einen HF-Generator 1 auf, welcher aus einem Transinungswerte unverändert bleiben. Dazu kommt, daß kei- stör 2, Basis-Widerstandskombination 3 und 1, Emitternerlei aufwendige Brückenschaltung vorgesehen wer- Widerstand 5 und einem Hochfrequenz-Übertrager 6 den muß, um die Kapazitätsänderung der Sonden-Ka- besteht. Der Übertrager 6 liegt dabei sowohl im Emitpazität in verwertbare Spannungsänderungen umzu- 15 ter- als auch im Basiskreis und ist im grundsätzlichen wandeln. Aufbau allgemein bekannt und gebräuchlich. Die Se-

Auch auf die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen kundär-Seite 6b des Hochfrequenz-Übertragers 6 liegt Anordnung wirkt sich der Einsatz von zwei RC-Schal- mit den Anschlüssen 7 und 8 über je eine RC-Schaltung tungen an jedem Sekundär-Anschluß aus. Sofern näm- 9 und 10 auf Masse. Die Kopplung zwischen der Primär-Iich durch eine Kapazitätsänderung die Spannung an 20 Seite 6a, der Sekundär-Seite 6b. sowie der Zusatzwickeinem Sekundär-Anschluß gegenüber Mas'"? um einen lung 6c ist dabei in an sich bekannter Weise derart gebestimmten Betrag verändert wird, bewirkt dies, daß wählt, daß die Gesamtanordnung schwingt und die Kader andere Sekundär-Anschluß um den gleichen Betrag, pazität der RC-Schaltungen 9 und 10 als Scliwingkreisjedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen gegenüber Kapazität verwendet wird. Selbstverständlich läßt sich Masse »verschoben« wird. Auf diese Weise wird bereits 25 der Schwingkreis auch auf andere bekannte Weise aus-' bei der Umwandlung der Kapazitätsschwankung in eine führen, doch zeichnet sich das Ausführungsbeispie! Spannungsschwankung eine Verdoppelung des Signals durch einfachen Aufbau und Einsparung von Bauteilen erreicht, womit die Empfindlichkeit der Anordnung we- aus.
sentlich verbessert wird. Während die RC-Schaltung 9, wie dargestellt, ledig-

Außerdem ist die Empfindlichkeit der Anordnung of- 30 Hch aus einem Widerstand 11 und einem Kondensator

fensichtlich nicht an einen engen Frequenzbereich ge- 12 besteht, weist die zweite RC-Schaltung 10 einen Wi-

bunden, wie es z. B. bei der Verwendung von Bandfiltern derstand 13, einen von Hand justierbaren Kondensator

;der Fall ist, sondern die Veränderung der Sonden-Kapa- 14, die wirksame Sonden-Kapazität 15, sowie eine Zu-

zität führt unabhängig vom Wert der Sonden-Kapazität satzschaltung aus einem Kondensator 16 und einer Ka-

vor der Veränderung, also vom Basiswert, zu einer Ver- 35 pazitätsdiode 17 auf. Die Widerstände 11 und 13 sind

änderung des durch die RC-Schaltung gebildeten Blind- dabei hochohmig und dienen in erster Linie dazu, eine

Widerstands und damit zu einer Veränderung der am einseitige Aufladung der Kondensatoren der beiden

entsprechenden Sekundär-Anschluß anliegenden Span- RC-Schaltungen 8 und 10 zu verbinden. Die Bauteile

nung gegenüber Masse. Durch einfachste Justierung sind dabei derart dimensioniert, daß sich durch entspre-

läßt sich demgemäß die erfindungsgemäße Anordnung 40 chenden Abgleich des Kondensators 14 sowie der Ka-

in den verschiedensten Anwendungsbereichen und auch pazitätsdiode 17 der Scheinwiderstand der RC-Schal-

für Medien, welche unterschiedliche Veränderung der tung 10 auf den gleichen Wert bringen läßt, den die

Sonden-Kapazität bewirken, einsetzen. RC-Schaltung 9 aufweist. Der Kondensator 14 ist dabei

Besonders wesentlich erscheint die selbsttätige Korn- dazu vorgesehen, um einen Vorabgleich der Anordnung

pensation von Spannungs- und Frequenzschwankungen 45 z. B. an verschiedene Sonden 18 zu ermöglichen,

bei einfachstem Schaltungsaufbau und erhöhter Emp- Dagegen dient die Kapazitätsdiode 17 dazu, eine Ein-

findlichkeit. Diese wird nach der Erfindung dadurch er- stellung des Scheinwiderstands der RC-Schaltung 10 auf

reicht, daß der Meßwert durch einen Differenzverstär- einfache Weise von einer Bedienungs- und Versor-

ker an den beiden Sekundäranschlüssen der gegenüber gungseinrichtung 28 aus über eine größere Distanz hin-

Masse hochohm-gen Sekundärwicklung abgegriffen 50 weg zu ermöglichen. Dies geschieht auf bekannte Weise

wird. Die dadurch bewirkte »Verdoppelung« von Span- durch Verändern der von der Versorgungseinrichtung

nungsschwankungen infolge einer Änderung der Son- 28 über eine Leitung 19 und einen Widerstand 20 an die

denkapazität an den Eingängen des Differenzverstär- Kapazitätsdiode 17 angelegten Spannung,

kers führt ersichtlicherweise ohne jeden schiltungsmä- Die an der RC-Schaltung 9 bzw. an der RC-Schaitung

ßigen Mehraufwand zu einer Verdoppelung der Emp- 55 10 anliegende Spannung wird über je eine Gleichrich-

findlichkeit der Anordnung. teranordnung 21 bzw. 22 an einen Differenzverstärker

Unter Verwendung von bekannten Bauteilen in einer 23 angelegt, welcher über einen Widerstand 24 rückge-

seit Jahrzehnten fort- und scheinbar iertigentwickeiten koppelt ist.

Gattung von Schaltungsanordnungen schafft die Erfin- Die Messung des Füllstandes eines Mediums 25 in

dung auf einfachste Weise eine überraschende Verbes- 60 einem Behälter 26 wird durch die erfindungsgemäße

serung hinsichtlich Störanfälligkeit und Empfindlichkeit Anordnung wie folgt durchgeführt: Wie bereits vorste-

der Meßanordnung. hend ausgeführt, ist die RC-Schaltung 10 mittels des

Der vorbekannte Stand der Technik legt die Erfin- Kondensators 14 und der Kapazitätsdiode 17derart ab-

dung keineswegs nahe, sondern lenkt sogar von ihr ab: geglichen bzw. vorabgeglichen, daß bei unterhalb des

Die DE-AS 12 28 743 lehrt z. B, daß auch bei Einsatz 65 Sollwerts liegender Füllung des Behälters 26 die Ge-

eines'Differenzverstärkers in einer gattungsgemäßen samtkapazität der RC-Schaltung 10 der Kapazität der

Schaltungsanordnung dieser im Nullzweig einer Brük- RC-Schaltung 9 entspricht. Sobald durch Anstieg des

kenschaitung anzuordnen ist, wobei die Sekundärseite Mediums 25 im Behälter 26 eine Veränderung der Son-

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den-Kapazität 15 eintritt, ändert sich der Kapazitäts- am Sondenkabel i8a oder aber beim Vorsehen von be-Wert und damit der Scheinwiderstand der RC-Schal- sonders langen Sonden-Kabeln 18a, sämtliche Störeintung 10. Dies bewirkt, daß der am Anschluß 7 anliegen- flüsse durch Einflüsse des Kabels 18a zu vermeiden, ist de Spannungswert sich gegenüber Masse verändert. gemäß Fig. 2 ein zweiadriges abgeschirmtes Verbin-

Da der Innenwiderstand der Sekundär-Wicklung 6b 5 dungskabel 18a vorgesehen, dessen eine Ader 186 zur des Übertragers 6 im Vergleich zur Gesamtschaltung Verwendung mit der Meßsonde 18 dient, während die außerordentlich niedrig ist, bleibt die zwischen den An- andere Ader 18c, die gleich lang wie die Ader Mb ausgeschlossen 7 und 8 gemessene Spannung gleich. Dies be- bildet ist, einerseits blind und isoliert endet und andererdeutet, daß jede Veränderung der Spannung am An- seits an die RC-Schaltung 9 angeschlossen ist. Jeder Einschluß 7 gegenüber Masse eine Veränderung der Span- 10 fluß des Kabels 18a infolge Temperatur-Drift od. dgl, nung am Anschluß 8 gegenüber Masse um den gleichen wird demgemäß in gleicher Weise auf beide RC-Schal-Betrag, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen be- tungen 8 und 10 übertragen, wie dies schematisch durch ■wirkt Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden An- die Darstellung von Kabel-Kapazitäten 30 und 31 angeschlüssen 7 und 8 weist demgemäß aufgrund der Eigen- deutet ist art der Schaltung den doppelten Wert auf, wie die un- 15 Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß mittelbar durch die Sonden-Kapazität 15 bewirkte Fig. 1 ist außerdem bei der Anordnung gemäß Fig.2 Spannungsänderung am Anschluß 7 allein. die Sonden-Kapazität 15 als einziger Kapazitäts-Wert

Wie dargestellt, wird die Hochfrequenz-Spannung, in der RC-Schäitüng 10 vorgesehen und der Kondensawelche an den RC-Schaltungen 9 und 10 bzw. den An- tor 12 dementsprechend dimensioniert Schlüssen 7 und 8 anliegt, an zwei Gleichrichteranord- 20 Außerdem weisen die beiden RC-Schaltungen 9 und nungen 21 und 22 abgegeben, deren Gleichspannungs- 10 nur einen gemeinsamen Widerstand 30 auf, der eine ausgänge an die beiden Eingänge des Differenzverstär- Mittelanzapfung 3J der Sekundärwicklung 6b mit Maskers 23 geschaltet sind, se verbindet

Mit zunehmender Änderung des Füllstandes des Me- ,

diums 25 im Behälter 26 verändert sich ersichtlicherwei- 25 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

se der Wert der Sonden-Kapazität 15 und damit der am

Differenzverstärker 23 anliegende Differenz-Spannungswert, welcher von den beiden Gleichrichteranordnungen 21 und 22 abgegeben wird. Sobald beim Erreichen eines vorgesehenen Füllstandes der Spannungswert einen bestimmten Maximal-Wert erreicht hat, gibt der Differenzverstärker 23 ein Ausgangssignal an die Bedienungs- und Versorgungseinrichtung 18 ab, weiche auf nicht dargestellte Weise ein optisches und/oder akustisches Warnsignal erzeugt Der Differenzverstärker 23 ist durch entsprechende Dimensionierung des Rückkopplungswiderstands 24 auf bekannte Weise beim Ausführungsbeispiel lediglich als Schalter eingesetzt, der oberhalb eines bestimmten Schwellwerts ein Signal abgibt, während unterhalb dieses Schwellwerts ein Null-Signal am Ausgang anliegt

Selbstverständlich läßt sich statt des Differenzverstärkers auch jede beliebige andere bekannte Schaltungsanordnung mit einer Art Schw'el'vr'ert-Messung vorsehen oder aber es lassen sich proportionale Signate ableiten, welche nicht nur zwei Zustände anzeigen, sondern eine echte Messung des Füllstandes in Abhängigkeit von der Änderung der Sonden-Kapazität 15 bzw. der von den Gleichrichteranordnungen 21 und 22 abgegebenen Spannungswerte ermöglichen.

Die Bedienungs- und Versorgungseinrichtung 18 ist, wie angedeutet, über ein Verbindungs-Kabel 27 mit Leitungen 19, 19a, 196 und 19c mit der Gesamtanordnung aus HF-Generator i, RC-Schaltungen 9 und 10 sowie Gleichrichteranordnungen 21 und 22, sowie dem Differenzverstärker 23 verbunden.

Dies ermöglicht die Plazierung der erfindungsgemäßen Anordnung unmittelbar am Behälter, so daß der Abstand zwischen Sonde 18 und RC-Schaltung 10 gering gehalten werden kann, wodurch Störeinflüsse vermieden werden. Dagegen ist die Länge des Kabels 27 von relativ untergeordneter Bedeutung, da ersichtlicherweise an den Leitungen 19 bis 19c lediglich Gleichspannung anliegt, während das Sonden-Kabel 18a an Hochfrequenz liegt und unmittelbar den Scheinwiderstand der RC-Schaltung 10 mitbeeinflußt

Um in bestimmten Anwendungsfällen, wie z. B. bei starken Temperaturschwankungen an der Sonde 18 und

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur kapazitiven Messung des Füll· Standes eii.es Behälters mit einer am Behälter vorge- s sehenen Meßsonde sowie einem Hochfrequenzübertrager, der primärseitig an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, wobei der eine Sekundäranschluß (8) der beiden Sekundäranschlüsse (7,8) des Hochfrequenzübertragers über einen Kondensator (12), und wobei der andere Sekundäranschluß (7) über die Sondenkapazität (15) mit Masse verbunden ist, während die Sekundärwicklung des Hochfrequenzübertragers (6) gegen Masse über wenigstens einen Ableitwiderstand (11,13,30) und die Kapazitäten (12,14,15,16,17) gleich und wechseistrommäßig hochohmig gegenüber Masse geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß