DE3042886A1

DE3042886A1 - Kapazitaetssensorschaltung

Info

Publication number: DE3042886A1
Application number: DE19803042886
Authority: DE
Inventors: Lawrence Butler 60516 Downers Grove Ill. Townsend
Original assignee: Magnetrol International Inc
Current assignee: Magnetrol International Inc
Priority date: 1979-11-13
Filing date: 1980-11-13
Publication date: 1981-09-03
Also published as: MX148845A; GB2064136A; CA1163826A; GB2064136B; FR2469716B1; FR2469716A1; US4347740A; JPS5684522A

Description

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Kapazitätssensor schaltung

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Messen des Wertes einer unbekannten Kapazität, und insbesondere eine Pegelsensorvorrichtung unter Verwendung einer Kapazität, deren Wert von der Höhe einer Flüssigkeit in einem Behälter abhängt.

Bei bereits vorgeschlagenen Sensorvorrichtungen, wie sie beispielsweise in der US-PS 4 083 248 dargestellt sind, -tfirl ein kapazitiver Meßfühler oder eine kapazitive Sonde in einer Kombination mit zwei Schwellenwertdetektoren verwandt. Die Kapazität ist mit einer Zeitgeberschaltung verbunden, die die Schwellenwertdetektoren enthält. Eine derartige Pegelsensorvorrichtung, die mehr als einen Schwellenwertdetektor verwendet, hat den Nachteil, daß sie empfindlich für Temperaturänderungen ist, was -sich in Form einer Instabilität der Periode der Wellenform des Ausgangssignals zeigt. Die bekannte Vorrichtung ist darüberhinaus uiit relativ hohen Kosten verbunden, da sie mehr als einen Operationsverstärker Leno tigt.

Durch die Erfindung soll eine kapazitive Pegelsonsorvorrichtung mit nur einem einzigen Operationsverstärker geschaffen werden, die für Temperaturänderungen unempfindlich ist.

Die erfindungsgemäße kapazitive Pegelsensorvorrichtung verwendet eine kleine Anzahl von Bauteilen, so daß sich ein mit niedrigen Kosten verbundener Kapasitätsübertrager mit guter Stabilität über einen weiten Temperaturbereich ergibt.

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Das wird durch einen einzigen Pegeldetektor erreicht, der das Ausgangssignal des kapazititven Meßfühlers oder der kapazitiven Sonde verarbeitet.

Die erfindungsgemäße Kapazitätssensorvorrichtung umfaßt einen kapazitiven Meßfühler oder eine kapazitive Sonde zum Einführen in einen Flüssigkeitsprozeßbehälter mit einer Kapazität, die sich auf den Pegel der Flüssigkeit im Behälter ansprechend ändert. Am Eingang eines Operationsverstärkers, der so geschaltet ist, daß er einen Komparator bildet, liegt eine Vergleichsspannung. Die Sondenkapazität liegt über einen Ladewiderstand am Ausgang des Operationsverstärkers und gleichfalls am anderen Eingang des Operationsverstärkers. Die Schaltung betreibt einen frei schwingenden Multivibrator, dessen Schwingungsperiode von der Kapazität der Sonde im Behälter abhängt. Das Ausgangssignal des Koniparators liegt an einem Schalttransistor, der seinerseits einen Stromsensor über ein Koaxialkabel oder ein konzentrisches Kabel mit zwei Innenleitern betreibt. Das Ausgangssignal vom Stromsensor liegt an einer weiteren Schaltung zur weiteren Verarbeitung.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführunffsbeispiel der erfindungsgemäßen Kapazitätssensorvorrichtung anhand der zugehörigen Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt das schematische Schaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wie es in der Figur dargestellt ist, ist eine Kapazitätssonde 10 in einem Prozeßbehälter angebracht, in dem die Höhe der Flüssigkeit zu messen ist. Die Kapazität der Sonde 10 hängt von der Höhe der Flüssigkeit im Prozeßbehälter ab.

Die Kapazitätssonde 10 steht mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers Al in Verbindung. Ein Vergleichssignal

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am positiven Eingang des Operationsverstärkers Al kommt vom Verbindungspunkt eines Spannungsteilers aus den Widerständen R1 und R2, der zv/ischen eine geregelte Spannungsquelle V+ geschaltet ist,und einer Quelle eines Bezugspotentials oder Masse. Eine Rückkopplung ist über einen Widerstand R3 vorgesehen, der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers Al und seinen nicht invertierenden Eingang geschaltet ist. Der Rückkopplungswiderstand R3 dient dazu, ffar eina Hysterese zu sorgen, so daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Al seinen Zustand schnell ändert, wenn die an seinem nicht invertierenden und seinem invertierenden Eingang auftretenden Spannungen einander sehr nahekommen.

Ein Bereichsschalter S1 verbindet einen von zwei Widerständen R4 oder R5 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers A1 um den Bereich der maximalen Periode für einen breiten Kapazitätsbereich zu begrenzen. Ein Periodenbegrenzungskondensator C2 liegt zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Al und dem Massepotential, um die kleinste Periode zu begrenzen.

Der Operationsverstärker Al und seine zugehörige Schaltung bilden einen frei schwingenden Multivibrator, dessen Periode durch die Kapazität der Sonde 10 und durch die Wahl der Widerstände R4 oder R5 bestimmt ist.

Wenn die Spannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers A1 über der Spannung am negativen Eingang liegt, hat das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A1 einen hohen Pegel, d.h. innerhalb eines Millivoltes den Pegel der Versorgungsspannung V+. Diese Spannung liegt über einen der Widerstände R4 oder R5 an der Kapazitätssonde 10 in Abhängigkeit von der Stellung des Bereichsschalters S1, Die Kapazität der Sonde wird sich auf diese Spannung mit einer Zeitkonstanten aufzuladen beginnen, die durch den Wert des Widerstandes R4 oder R5,

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multipliziert mit der Kapazität der Sonde10, bestimmt ist. Das Vorliegen des Widerstandes R3 zwingt den positiven Eingang des Operationsverstärkers A1,auf eine höhere Spannung zu kommen, als es dann der Fall wäre, wenn der Widerstand R3 beispielsweise bei einer Spannungsversorgung von 12 V fehlen würde. Die Spannung am positiven Eingang des Operationsverstärkers A1 beträgt 10 V. Das Ausgangs signal des Operationsverstärkers A1 ändert seinen Zustand daher nicht, bis die über der Kapazität der Sonde auftretende Spannung, d.h. die Spannung, die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Al erscheint, diejenige Spannung überschreitet, die asi nicht invertierenden Eingang liegt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, schaltet das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A1 auf einen Pegel um, der innerhalb eines Millivolts dem Massepotential entspricht.

Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers A1 kommt auf einen niedrigen Potentialwert, da der Widerstand R3 vorhanden ist. Bei einer Spannungsversorgung von 12 V beträgt beispielsweise die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A1 annähernd 2 V. Die Kapazität der Sonde 10 wird in der Zwischenzeit über den Widerstand R4 oder R5 zum Ausgang des Operationsverstärkers A1 entladen, der nahe auf dem Massepotential liegt. Sobald die Kapazität der Sonde 10 sich auf eine Spannung entladen hat, die etwas unter der Spannung liegt, die am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A1 auftritt, schaltet das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A1 wieder auf einen höheren Pegel, d.h. innerhalb weniger Millivolt auf das Versorgungspotejitial V+. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Al wird weiter in dieser Weise umschalten, wobei die Periode dieser Umschaltung durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes, d.h. durch die Kapazität der Sonde 10 und die Wahl des Widerstandes R4 oder R5 bestimmt ist.

Der Kondensator C2 bewirkt eine Begrenzung der Periode des

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Ausgangssignals auf einen vorbestimmten unteren Grenzwert. Wenn die Kapazität der Sonde 10 auf einen sehr niedrigen Wert fällt, vei-hindsrt der Kondensator C2,daß das Ausgangssignal mit einer Periode unter einem gewissen minimalen Wert schwingt. Der Kondensator C2 kann in Abhängigkeit von den Erfordernissen des Systems und der Ausgangsschaltung geändert werden.

Ein Bipolartransistor dient dazu, eine Ausgangsstrominformation vom Ausgang des Operationsverstärkers Al zu liefern, und ein Strombegrenzungswiderstand R6, der zum Einstellen dieses Stromes dient, liegt zwischen dem Emitter des Transistors Q1 und dem Massepotential. Der Kollektor des Transistors Q1 ist zur Energiequelle V_in über eine Übertragungsleitung 15 mit veränderlicher Länge, und anschließend über einen Stromsensor 20, der beispielsweise ein Widerstand sein kann, zur Energiequelle V_in zurückgeschaltet. Eine Spannungsregelschaltung aus einem Widerstand R8, einem Kondensator C3 und einer Z-Diode D1 liefert eine regulierte Spannung den verschiedenen Bauteilen der Vorrichtung.

Der Transistor Q1 invertiert das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Al und erzeugt ein Sxromsignal für den Stromsensor über die Übertragungsleitung 15. Die Spannungsquelle, die die Spannung V_in liefert, weist einen Kondensator auf, der über seine nicht dargestellte Anschlußklemme geschaltet ist und möglicherweise vorhandene Wechselspannungssignalantei-Ie an Masse legt. Der Stromsensor 20 liegt somit zwischen dem Kollektor des Transistors Q1 und Masse. Das Ausgangssignal der Vorrichtung V + kann daher über diesem Stromsensor abgenommen werden. Das in dieser Weise abgenommene Signal kann durch eine·geeignete Schaltung weiterverarbeitet werden, um die gewünschte Information zu liefern.

Die Widerstände R4 und R5 sind so gewählt, daß sie geeignete Bereiche füx' die Perioden entsprechend dem erwarteten Bereich

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der Kapazitätswerte liefern. Die beiden Widerstände können
sich um einen Faktor 10 unterscheiden, um ein Ausgangssignal
zu liefern, das sich zur Verwendung mit verschiedenen kapazitiven Lastbereichen eignet.

Die verschiedenen Bauteile der Vorrichtung werden mit einer regulierten Spannung über den Widerstand R8 und den Kondensator C3, die ein RC-Filter bilden, und eine Z-Diode D1 versorgt, die parallel zum Kondensator C3 geschaltet ist. Das RC-Filter integriert die Spannung V. und liefert ein geglättetes Spannungssignal der Z-Diode D1 und somit dem Operationsverstärker A1. ¥enn die Spannung am Ausgang des RC-Filters dabei ist, die Durchbruchsspannung der Z-Diode D1 zu überschreiten, leitet
die Diode D1 und hält die Diode die Ausgangsspannung auf dem
Durchbruchspegel. Diese semikonstante Spannung wird dann dem
Operationsverstärker A1 und dem Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 geliefert.

Die Schaltung hat eine hohe Temperaturstabilität aufgrund ihres Aufbaus mit einem einzigen Operationsverstärker. Fehler
aufgrund von Ableitströmen und Offset-Spannungen beeinflußen
das Laden und Entladen des Kondensators in identischer Weise, so daß sich keine resultierende Änderung in der Periode ergibt. Wenn beispielsweise die Versorgungsspannung V+ für den Operationsverstärker A1 sich um 10 Millivolt ändert, wird sich die Spannung am nicht invertierenden Eingang dann, wenn das Ausgar-gssignal einen hohen Pegel hat, auf annähernd 10,010 V ändern und wird sich die Spannung am nicht invertierenden Eingang dann, wenn das Ausgangssignal einen niedrigen Pegel hat, auf
annähernd 2,010 V ändern. Der Unterschied bleibt der gleiche, so daß auch die Zeit unverändert bleibt, die zum Aufladen und Entladen über einen Zyklus erforderlich ist. Das ist bei Pegeldetektoren nicht der Fall, die zwei Operationsverstärker verwenden, bei denen die Drift der Eingangsspannung an einem
Operationsverstärker die Periode der Wellenform des Ausgangs-

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signals ändern kann, und dadurch, eine falsche Anzeige der gemessenen Kapazität liefert.

Durch die Erfindung wird somit eine Kapazitätssensorschaltung geschaffen, die einen Operationsverstärker verwendet, der in Form eines !Comparators geschaltet ist. Die zu messende Kapazität ist mit einem Eingang des Operationsverstärkers und gleichfalls mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen Widerstand verbundsn, so daß ein frei schwingender Multivibrator gebildet ist. Die Periode des Ausgangssignals des Multivibrators hängt von dem Wert der zu messenden Kapazität ab. Ein Schalttransistor ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden, um ein sich änderndes Stromausgangssignal zu erhalten. Das Ausgangssignal wird als eine Änderung des Stromes in einem Stromsensor erhalten, der mit dem Kollektor dec Transistors verbunden ist.

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ORiGINAL INSPECTED

Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dip!.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

Zl. GELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPE S .1 PATENT OFFICE

Po/Li 93,392

MAGNETROL INTERNATIONAL, INCORPORATED Downers Grove, 111.,USA

PATENTANSPRÜCHE

M. Kapazitätssensorschaltung,

gekennzeichnet durch einen Spannungskomparator mit zwei Eingängen und einem Ausgang, wobei der Ausgang entweder auf einem hohen oder einem niedrigen Pegel in Abhängigkeit vom relativen Wert der Signale an den Eingängen liegt, durch eine Vergleichsoignalquelle, die mit einem der Eingänge verbunden ist, durch einen Kondensator unbekannter Kapazität, der mit dem anderen Eingang verbunden ist,und durch einen Widerstand, der zwischen den Ausgang und den Kondensator unbekannter Kapazität geschaltet ist, wobei sich der Kondensator über den Widerstand auflädt und entläd'C, damit der Komparator seinen Ausgangspegel so ändert, daß die Periode von der Kapazität des Kondensators abhängt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator bekannter Kapazität parallsl sun

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Kondensator unbekannter Kapazität so geschaltet ist, daß die Periode des Ausgangssignals über einem vorbestimmten Wert unabhängig vom Wert des Kondensators unbekannter Kapazität bleibt.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor mit seinem Kollektor am Ausgang der Vergleichseinrichtung liegt, und daß ein Stromsensor mit dem Kollektor verbunden ist, so daß das Ausgangssignal über dem Sensor entwickelt wird.
4. . Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen

Umschaltwiderstand und einen Scha3„ter, der so arbeiten kann, daß er einen der Widerstände zur Verbindung zwischen dem Ausgang des Komparators und dem Kondensator auswählt.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand zwischen den Ausgang des Komparators und seinen positiven Eingang geschaltet ist, um das Ausgangsbignal der Vergleichseinrichtung zu stabilisieren, wenn das Kapazitätssignal dem Vergleichssignal sehr nahe kommt.
6. Pegelsensorvorrichtung zum Entwickeln eines Ausgangssignals, dessen Periode den Pegel einer Flüssigkeit in einem Behälter anzeigt, gekennzeichnet durch einen Komparator mit einem nicht invertierenden und einem invertierenden Eingang und einem Ausgang, der auf einen hohen oder niedrigen Pegel kommen kann, um ein Ausgangssi^nal entsprechend den relativen Vierten der Spannungen an den Eingängen zu erzeugen, durch eine Vergleichsspannungsquelle, die eine Vergleichsspannung an einen der Eingänge legt, und durch einen Kondensator, der sich auf die Höhe der Flüssigkeit ansprechend ändert und mit dom anderen Eingang verbunden ist, wobei ein Widerstand zwischen dei^ Ausgang und den veränderlichen Kondensator geschaltet j st und

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sich der Kondensator über den Widerstand auflädt und entlädt, damit der Komparator seinen Ausgangspegel mit einer Periode ändert, die von der Höhe der Flüssigkeit im Behälter abhängt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kapazität mit bekanntem Wert parallel zur veränderlichen Kapazität geschaltet ist, so daß die Periode des Ausgangssignals über einem bestimmten Wert unabhängig vom Wert der veränderlichen Kapazität bleibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch einen Transistor, der mit seinem Kollektor am Ausgang des Komparators liegt, wobei ein Stromsensor mit dem Kollektor verbunden ist, so daß das Ausgangssignal über dem Sensor entwickelt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter zwischen dem Ausgang des Komparators und einem der Ladewiderstände liegt, um einen der Ladewiderstände so auszuwählen, daß die Periode des Ausgangssignals in einen vorbestimmten Bereich fällt.

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ORIGINAL INSPECTED