CH652499A5 - Anordnung zur feststellung des fuellstands in einem behaelter. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Änordnungen dieser Art ermöglichen es, durch Umschaltung auf die Testkapazität die Funktionsfähigkeit des Messwandlers zu überprüfen und vorkommende Fehler und Störungen des Messwandlers zu erkennen. Bei einer aus der DE-PS 22 59 849 bekannten Anordnung dieser Art ist die Schaltvorrichtung ein Relais, das durch eine getrennte Stererleitung erregt wird. Wenn die Überprüfung von dem vom Behälter entfernt angeordneten Auswertegerät her ausgelöst werden soll, wird daher zusätzlich zu den Leitern, die die für den Betrieb des Messwandlers erforderliche Gleichstromenergie und das Messwertsignal übertragen , wenigstens ein zusätzlicher Leiter für die Steuerung des Relais benötigt.

In vielen Anwendungsfällen besteht die Forderung, die Anzahl der Leiter zwischen dem Messwandler und dem Auswertegerät möglichst klein zu halten. Es sind bereits verschiedene Anordnungen bekannt, bei denen das Auswertegerät mit dem Messwandler durch eine Zweidrahtleitung verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Messwandlers erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät zum Messwandler und andererseit das vom Messwandler gelieferte Messwertsignal zum Auswertegerät übertragen werden.

652 499

Aus der DE-OS 27 Ol 184 ist es bekannt, zum Zweck der Überlagerung der Messwertsignale im Nebenschluss zu dem Messwandler an die Zweidrahtleitung einen im Takt der Messwertsignale gesteuerten Widerstandszweig anzuschliessen. Die Messwertsignale sind dann zusätzliche Stromimpulse, die dem über die Zweidrahtleitung übertragenen Versorgungsgleichstrom überlagert sind. Die Folgefrequenz der überlagerten Stromimpulse drückt dann den Füllstand im Behälter aus. Es ist auch möglich, die Frequenz des Oszillators in einen davon abhängigen Gleichstrom umzuwandeln und diesen Gleichstrom als Messwertsignal dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung zu überlagern. Das Auswertegerät ist dann so ausgebildet, dass es auf die Änderungen des Gleichstroms anspricht.

In jedem dieser Fälle ist es unerwünscht, wenn zusätzlich zu der Zweidrahltleitung eine zusätzliche Leitung benötigt wird, um die Schaltvorrichtung zum Zweck der Funktionsprüfung und Fehlererkennung zu betätigen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art, welche die Überprüfung der Funktionsfähigkeit und das Erkennen von Fehlern und Störungen des Messwandlers vom Auswertegerät her ermöglicht, ohne dass hierfür zusätzliche Leiter benötigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung werden alle Funktionen der Stromversorgung, Messwertsignal-Übertragung und Funktionsprüfung mit der geringstmöglichen Anzahl von Leitern, nämlich einer einfachen Zweidrahtleitung erfüllt. Die Massnahme, impulsförmige Änderungen der Stromversor-gungs-Gleichspannung als Steuersignale für die Funktionsprüfung zu verwenden, ergibt einen besonders einfachen Aufbau, weil keine besondere Steuersignalquelle benötigt wird. Die impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung beeinträchtigen den Betrieb der Anordnung nicht, weil sie nur zur Auslösung der Schaltvorgänge dienen, während in den durch die Schaltvorgänge bestimmten Mess- und Testzeitintervallen die volle Stromversorgungs-Gleichspannung vorhanden ist. Im übrigen kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung im Messwandler ein Energiespeicher zur Überbrückung der periodischen impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung vorgesehen sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die kapazitive Sonde eine vom Behälter isolierte Sondenelektrode aufweist, über die ein von der Schaltvorrichtung gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und dass eine Detektorschaltung vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die Übertragung einer diesen Ausfall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät bewirkt.

Durch diese Weiterbildung kann insbesondere festgestellt werden, ob im Sondenanschluss ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung besteht. In beiden Fällen empfängt nämlich die Detektorschaltung keine Stromimpulse mit der Folgefrequenz der Betätigung der Schaltvorrichtung, sondern ein konstantes Potential.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschema einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltbild des Messwandlers der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 das Blockschema einer anderen Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung und

Fig. 4 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des Auswer-tegeräts.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung dient zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter 1, der eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut enthält. Als Beispiel sei angenommen, dass es sich um die Feststellung eines vorbestimmten Minimal- oder Maximal-5 grenzstands handelt, so dass die Anordnung als Grenzschalter arbeitet. Im Behälter 1 ist eine kapazitive Sonde 2 angeordnet, deren Kapazität sich in Abhängigkeit vom Füllstand ändert. Ein am Ort des Behälters angeordneter elektronischer Messwandler 3 stellt die Änderungen der Kapazität der Sonde 2 fest und 10 wandelt sie in impulsförmige Messwertsignale um, die zu einem an entfernter Stelle angeordneten Auswertegerät 4 übertragen werden. Der Messwandler 3 ist mit dem Auswertegerät über eine Zweidrahtleitung 5 verbunden; über diese Zweidrahtleitung erfolgt einerseits die Stromversorgung des Messwandlers 3 durch 15 eine am Ort desAuswertegeräts 4 angeordnete Gleichspannungsquelle 6 und andererseits die Übertragung der Messwertsignale vom Messwandler 3 zum Auswertegerät 4. In der üblichen Weise können die Messwertsignale im Auswertegerät 4 dazu benutzt werden, das Erreichen des zu erfassenden Minimal- oder Maxi-20 malfüllstands anzuzeigen. oder auch zur Auslösung von Schaltvorgängen, mit denen beispielsweise ein Füll- oder Entleerungsvorgang eingeleitet oder beendet wird.

Der eine Leiter 5a der Zweidrahtleitung 5 verbindet eine Klemme 7a des Messwandlers 3 mit einer Klemme 8a des 25 Auswertegeräts 4, an die auch der Pluspol der Gleichspannungsquelle 6 unmittelbar angeschlossen ist. Der andere Leiter 5b der Zweidrahtleitung 5 verbindet eine Klemme 7b des Messwandlers 3 mit einer Klemme 8b des Auswertegeräts 4, die über einen Schalter 9 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 6 in 30 Verbindung steht.

Die kapazitive Sonde 2 weist eine stabförmige Sondenelektrode 10 auf, welche die eine Belegung der zu messenden Kapazität bildet, während die andere Belegung durch die Metallwand des Behälters 1 gebildet ist. Die Sondenelektrode 10 kann 35 durch einen vertikal im Behälter angeordneten Metallstab mit einer Dicke von etwa 12 mm gebildet sein, der durch eine isolierende Umhüllung vom Behälter 1 und dem darin enthaltenen Füllgut isoliert ist.

Eine Änschlussklemme IIa am Behälter 1 ist durch einen 40 Leiter 12 direkt mit der Klemme 7a verbunden. Der Behälter 1 liegt somit auf dem Potential des Pluspols der Spannungsquelle 6. Da der Behälter 1 im allgemeinen geerdet ist und das Erdpotential zweckmässig als Massepotential der elektronischen Schaltungen gewählt wird, handelt es sich um eine Schaltung mit 45 «Pluspol an Masse».

Die Stromversorgung der im Messwandler 3 enthaltenen elektronischen Schaltungen erfolgt zwischen zwei Leitern 13 und 14, von denen der Leiter 13 das positive Massepotential führt, während der Leiter 14 das negative Potential führt. Der Leiter 13 50 ist aber nicht unmittelbar mit der Klemme 7a verbunden, sondern an eine zweite Anschlussklemme IIb des Behälters 1 angeschlossen, die im Abstand von der Anschlussklemme IIa liegt. Durch diese Massnahme wird überwacht, ob die vom Behälter 1 gebildete Belegung der Messkapazität richtig ange-55 schlössen ist. Wenn nämlich die Verbindung zwischen dem Behälter 1 und dem Pluspol der Spannungsquelle 6 an irgendeiner Stelle unterbrochen ist, ist auch die Stromversorgung des Messwandlers 3 unterbrochen, so dass er keine Signale liefert. Das vollständige Ausbleiben von Signalen wird im Auswertege-60 rät 4 als Anzeichen für das Bestehen eines Fehlers festgestellt.

Der Leiter 14 ist mit der Klemme 7b über eine Diode 15 verbunden, so dass der Versorgungsgleichstom zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 zurückfliessen kann, wenn der Schalter 9 geschlossen ist.

65 Zwischen den Leitern 13 und 14 ist ein Kondensator 16 angeschlossen, der im Betrieb im wesentlichen auf die Spannung der Gleichspannungsquelle 6 aufgeladen ist und als Energiespeicher wirkt.

652 499

Der Messwandler3 enthält einen HF-Oszillator 20, der über einen Schalter 17 mit einer Anschlussklemme 18a am einen Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Oszillator 20 ist so ausgebildet, dass er auf einer bestimmten Frequenz (beispielsweise etwa 400 kHz) schwingt, wenn der Schalter 17 geöffnet ist. Beim Schliessen des Schalters 17 wird die zwischen den Klemmen IIb und 18a vorhandene Sondenkapazität zur Schwingkreiskapazität des HF-Oszillators 20 hinzugeschaltet, so dass die Schwingfrequenz des Oszillators 20 in Abhängigkeit vom Wert der Sondenkapazität mehr oder weniger stark veringert wird. Der Wert der Sondenkapazität hängt vom Füllstand und von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts ab; sie ist am kleinsten, wenn der Füllstand tiefer als das untere Ende der Sondenelektrode 10 ist, so dass die Sonde vollkommen von Luft als Dielektrikum umgeben ist. Die Sondenkapazität wächst mit zunehmender Bedeckung der Sonde durch das Füllgut, und sie erreicht ihren Maximalwert, wenn die Sonde vollständig vom Füllgut bedeckt ist. Bei diesem Maximalwert der Sondenkapazität hat die Schwingfrequenz des Oszillators 20 ihren kleinsten Wert. Bei dem zuvor angenommenen Zahlenwert der maximalen Schwingfrequenz fmax = 400 kHz (bei offenem Schalter 17) kann die minimale Schwingfrequenz (bei geschlossenem Schalter 17 und vollständig bedeckter Sonde) beispielsweise fmin = 138 kHz betragen.

Die Schwingfrequenz liegt zwischen diesen beiden Werten, wenn die Sonde nicht oder nur teilweise vom Füllgut bedeckt ist und der Schalter 17 geschlossen ist.

Wenn das Füllgut verlustbehaftet ist und die Sonde 2 ganz oder teilweise bedeckt ist, wird die Oszillatorschwingung gedämpft, was zur Folge haben kann, dass von einem bestimmten Bedek-kungsgrad an die Oszillatorschwingung aussetzt. Auch dieser Zustand kann zur Feststellung eines vorbestimmten Füllstandfes verwendet werden.

An den Ausgang des Oszillators 20 ist eine Signalformerschaltung 21 angeschlossen, welche die vom Oszillator 20 gelieferten Schwingungen in Rechtecksignale gleicher Frequenz umwandelt. Die von der Signalformerschaltung 21 erzeugten Rechtecksignale werden dem Eingang eines Frequenzteilers 23 zugeführt, der Rechtecksignale verhältnismässig niedriger Frequenz abgibt. Wenn der Frequenzteiler 23 den Teilerfaktor 2048 hat, liegt bei den zuvor angegebenen Zahlenwerten für die Schwingfrequenz f des Oszillators 20 die Frequenz F der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 zwischen den folgenen Werten:

Für fmax = 400 kHz: Fmax = 195 Hz;

für fmin = 138 kHz: Fmin = 67 Hz.

Die Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 steuern einen Widerstandszweig 24, der zwischen dem Leiter 13 und der Klemme 7b angeschlossen ist und bei dem dargestellten Beispiel durch einen Schalter 25 in Reihe mit einem Festwiderstand 26 gebildet ist. Der Schalter 25, der in Wirklichkeit ein elektronischer Schalter ist, wird durch die vom Ausgang des Frequenzteilers 23 abgegebenen Rechtecksignale im Takt der Frequenz dieser Signale abwechselnd geöffnet und geschlossen. Wenn der Schalter 25 geschlossen ist, liegt der Festwiderstand 26 parallel zu den Stromverbrauchern des Messwandlers 3 an den Klemmen 7a, 7b der Zweidrahtleitung 5, so dass über den gesteuerten Widerstandszweig 24 ein Strom IM fliesst. Die Diode 15 verhindert, dass dieser zusätzliche Strom IM aus dem Kondensator 16 entnommen wird. Der Strom IM muss daher von der Gleichspannungsquelle 6 über die Zweidrahtleitung 5 geliefert werden, so dass er sich auf der Zweidrahtleitung dem normalen Versorgungsgleichstrom überlagert, der allein fliesst, wenn der Schalter 25 geöffnet ist. Da der Schalter 25 im Takt der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 betätigt wird, werden dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung 5 Stromimpulse IM überlagert, deren Folgefrequenz der Schwingfrequenz des Oszillators 20 proportional ist.

Das Auswertegerät 4 enthält Einrichtungen zur Erfassung der überlagerten Stromimpulse IM. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in die Verbindung zwischen die Klemme 8b und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 ein niederohmiger Widerstand 27 eingefügt sein. Eine mit den Klemmen des Widerstands 27 verbundene Detektorschaltung 28 stellt den zusätzlichen Spannungsabfall fest, der durch jeden Stromimpuls IM am Widerstand 27 verursacht wird.

Da jeder Stromimpuls IM nicht nur im Widerstand 27, sondern auch auf der Zweidrahtleitung 5 einen zusätzlichen Spannungsabfall erzeugt, schwankt die Spannung an den Klemmen 7a, 7b im Takt der Stromimpulse IM. Die Diode 15 bildet zusammen mit dem Kondensator 16 eine Trennschaltung, welche die schnellen Spannungsschwankungen vom Messwandler 3 fernhält.

Der Schalter 17 wird periodisch betätigt, damit die Sondenkapazität abwechselnd vom Schwingkreis des Oszillators 20 abgetrennt und zum Schwingkreis hinzugeschaltet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die periodische Betätigung des Schalters 17 vom Auswertegerät 4 mit Hilfe des Schalters 9 gesteuert. Eine im Auswertegerät 4 vorhandene Zeitsteuerschaltung 29 öffnet den Schalter 9 periodisch jeweils für eine kurze Dauer, so dass die Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung 5 für die kurze Zeitdauer unterbrochen wird. Zur Vereinfachung ist angenommen, dass der Schalter 17 ein Arbeitskontakt eines Relais 30 ist, dessen Wicklung einerseits unmittelbar an die Klemme 7b (vor der Diode 15) angeschlossen ist und andererseits über einen normalerweise geschlossenen Schalter 31 mit dem Leiter 13 verbunden ist. Der Schalter 31 wird durch das Ausgangssignal einer monostabilen Kippschaltung 32 geöffnet, wenn diese im Arbeitszustand ist. Die Auslösung der monostabilen Kippschaltung 32 erfolgt durch das Ausgangssignal eines Sondenfehlerdetektors 33, dessen Eingang mit einer zweiten Anschlussklemme 18b oder Sonde 2 verbunden ist. Die Anschlussklemme 18b ist, beispielsweise über einen innerhalb der Sondenisolation verlaufenden Draht 19, mit dem unteren Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden. Bei geschlossenem Schalter 17 besteht somit ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über den Oszillator 20, den Schalter 17, die stabförmige Sondenelektrode 10 und den Detektor 33 zum Leiter 14.

Wenn die Schalter 9 und 31 geschlossen sind, ist das Relais 30 erregt, so dass auch der Schalter 17 geschlossen ist. Beim Öffnen des Schalters 9 fällt das Relais 30 ab, so dass sich der Schalter 17 öffnet. Dadurch wird der Gleichstromweg über die Sondenelektrode 10 zum Detektor 33 unterbrochen. Diese Unterbrechung bewirkt, dass der Detektor 33 die monostabile Kippschaltung 32 auslöst. Die monostabile Kippschaltung 32 öffnet den Schalter 31 für die DauerihrerHaltezeit. Das Relais 30 bleibt daher abgefallen, wenn der Schalter 9 wieder geschlossen wird. Erst wenn sich der Schalter 31 am Ende der Haltezeit der monostabilen Kippschaltung 32 wieder schliesst, wird das Relais 30 wieder erregt, so dass der Schalter 17 geschlossen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem kurzzeitigen Öffnen des Schalters 9, wobei natürlich vorausgesetzt wird, dass die Haltezeit der monostabilen Kippschaltung kürzer ist als der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Betätigungen des Schalters 9.

Als Beispiel sei angenommen, dass die Zeitsteuerschaltung 29 den Schalter 9 in Zeitabständen von ls jeweils für eine Dauer von etwa 10 ms öffnet und dass die monostabile Kippschaltung eine Haltezeit von etwa 0,4 s hat. In diesem Fall wird der Schalter 17 so betätigt, dass er während jeder Periode von ls für etwa 0,4s geschlossen und für etwa 0,6s offen ist. Somit erzeugt der Oszillator 20 im Verlauf jeder Periode von ls während 0,4s die durch die Sondenkapazität bedingte Messfrequenz und während 0,6s die höhere Eigenfrequenz (400 kHz bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel), die als Testfrequenz dient. Im Auswertegerät 4 wird geprüft, ob der periodische Wechsel von Testfrequenz und Messfrequenz richtig stattfindet. Diese Massnahme

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

652 499

ermöglicht im Auswertegerät die Überwachung des richtigen Arbeitens des Messwandlers und die Feststellung verschiedener Fehler. Insbesondere kann bei verlustbehaftetem Füllgut überprüft werden, ob ein Aussetzen der Oszillatorschwingung durch die Bedeckung der Sonde oder durch ein Versagen der Schaltung verursacht ist. Im ersten Fall muss nämlich die Oszillatorschwingung periodisch für jeweils 0,6s wieder einsetzen; ein dauerndes Ausbleiben der Oszillatorschwingung zeigt den Ausfall eines Schaltungsteils an.

Die kurzzeitige periodische Unterbrechung der Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung 5 ist ohne Nachteil für die Energieversorgung der elektronischen Schaltungen des Messwandlers 3, weil der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Energieversorgung während der Unterbrechungszeiten übernimmt.

Wenn an irgendeiner Stelle eine dauernde Unterbrechung in dem über die Sondenelektrode 10 verlaufenden Gleichstromweg besteht, beispielsweise bei einem Abriss der Sonde, löst der Sondenfehlerdetektor 33 die monostabile Kippschaltung nicht mehr periodisch aus, so dass der zuvor geschilderte Wechsel von Messfrequenz und Testfrequenz nicht mehr stattfindet. Dadurch wird im Auswertegerät 4 das Bestehen eines Fehlers angezeigt.

Bei Vorhandensein eines Lecks in der Sondenisolation oder bei Kondenswasserbildung im Sondenkopf fliesst von der Wand des Behälters 1 über die Sondenelektrode 10 ein Leckstrom zum Leiter 14, wenn der Schalter 17 geöffnet ist. Der Sondenfehlerdetektor 31 ist so ausgebildet, dass er die monostabile Kippschaltung nicht mehr auslöst, wenn dieser Leckstrom einen bestimmten Höchstwert übersteigt. Die gleiche Wirkung tritt natürlich ein, wenn ein Kurzschluss zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht. In allen diesen Störungsfällen wird der periodische Wechsel zwischen Messfrequenz und Testfrequenz gestört, wodurch im Auswertegerät 4 der Fehler angezeigt wird.

In Fig. 1 ist noch ein weiterer Schalter 34 dargestellt, der im geschlossenen Zustand eine Klemme 35 mit dem Leiter 13 verbindet. Der Schalter 34 wird im wesentlichen synchron mit dem Schalter 17 betätigt, was in Fig. 1 dadurch angedeutet ist, dass er gleichfalls durch einen Arbeitskontakt des Relais 30 gebildet ist. Der Zweck des Schalters 34 wird später im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Messwandlers 3. Zur Verdeutlichung ist auch der Behälter 1 mit der Sonde 2 dargestellt. An die Klemmen 7a, 7b ist die nicht dargestellte'Zweidrahtleitung 5 angeschlossen, die entsprechend der Darstellung von Fig. 1 zu dem Auswertegerät 4 führt.

Man findet in Fig. 2 wieder die Leiter 12,13,14, die in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeschlossen sind, sowie die Diode 15 und den zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossenen Kondensator 16. Der Schalter 17 ist wieder als Arbeitskontakt des Relais 30 dargestellt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Reed-Relais, so dass der Schalter 17 ein Reed-Kontakt ist. Diese Ausbildung ist im Hinblick auf die verhältnismässig grosse Schaltperiode von ls ohne weiteres möglich. Der Schalter 17 kann jedoch auch als elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Transistors oder eines CMOS-Analogschalters.

Der HF-Oszillator 20 ist als Meissner-Oszillator mit induktiver Rückkopplung aufgebaut. Er enthält einen npn-Transistor Tj, dessen Kollektor über einen Widerstand Rt und eine Induktivität Li an den das positive Potential führenden Leiter 13 angeschlossen ist, während der Emitter über einen Widerstand R2 mit den das negative Potential führenden Leiter 14 verbunden ist. Die Induktivität L! bildet zusammen mit einem dazu parallelgeschalteten Kondensator Q den frequenzbestimmenden Schwingkreis. Bei einer Induktivität L! = 720 |iH und einer Kapazität Q = 220 pF ergibt sich die zuvor erwähnte Schwingfrequenz des Oszillators von 400 kHz. Die Rückkopplung erfolgt durch eine im Basiskreis des Transistors Tj liegende Induktivität L2, die mit der Induktivität Li induktiv gekoppelt ist. Die Induktivität L2 ist über einen Widerstand R3 mit dem Abgriff eines die Basisvorspannung liefernden Spannungsteilers verbunden, der zwischen 5 den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und aus der Serienschaltung eine Widerstands R4, einer Diode Dj und eines Widerstands R5 besteht. Ein zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und dem Leiter 14 angeschlossener Kondensator C2 dient zur HF-Entkopplung. Die erzeugte Schwingung wird am Verbindungs-io punkt zwischen der Induktivität L2 und dem Widerstand R3 abgegriffen und über einen Kondensator zum Eingang der Impulsformerschaltung 21 übertragen.

Der im Kollektorkreis des Transistors T] liegende Widerstand Rj gewährleistet, dass auch bei durchgeschaltetem Transistor Tj 15 nur die Schwingkreiskomponenten Lj, Ci die Frequenz des Oszillators bestimmen.

Die eine Klemme des Schwingkreiskondensators Q ist mit dem Leiter 13 verbunden, an den auch der Behälter 1 angeschlossen ist. Der Schalter 17 ist mit der anderen Klemme des Schwing-20 kreiskondensators Q verbunden, so dass bei geschlossenem Schalter 17 die zwischen dem Behälter 1 und der Sondenelektrode 10 bestehende Sondenkapazität parallel zum Schwingkreiskondensator Q liegt. Bei einer maximalen Sondenkapazität von l,6nFergibtsicheineminimaleSchwingfrequenzfmfa = 138kHz. 25 Die Signalformerschaltung 21 besteht aus zwei in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen, deren Gesamtverstärkung so gross ist, dass eine Begrenzerwirkung eintritt, so dass am Ausgang der zweiten Verstärkerstufe ein rechteckförmiges Signal erhalten wird. Als Grundschaltung für jede Verstärkerstufe dient 30 ein integrierter Inverter IQ, IQ mit einem Rückkopplungswiderstand Rfj bzw. R7. Die n- und p-Kanal-MOS-Transistoren jeder Verstärkerstufe sind bei der Ansteuerung durch das HF-Signal beide für eine bestimmte Übergangszeit leitend; um die dann fliessenden Schaltströme der MOS-Transistoren und die 35 daraus resultierende erhöhte Stromaufnahme des Verstärkers zu begrenzen, sind in die Verbindungen zwischen den Stromanschlussklemmen jedes Inverters und den Leitern 13 bzw. 14 Widerstände R8, R9, R10, Rn eingefügt. Der Ausgang der ersten Verstärkerstufe ist mit dem Eingang der zweiten Verstärkerstufe 40 über einen Kondensator Q gekoppelt. Das Ausgangssignal der zweiten Verstärkerstufe wird an den Signaleingang des Frequenzteilers 23 angelegt, der beispielsweise durch einen integrierten 12-Bit-Binärzähler IQ des Typs 4040 gebildet ist. Die Frequenz des von der Signalformerschaltung 21 gelieferten 45 Rechtecksignals wird somit durch 2048 geteilt, und am Ausgang des Frequenzteilers 23 erhält man ein Rechtecksignal mit einer Frequenz zwischen 195 Hz und 67 Hz.

Der Schalter 25 des gesteuerten Widerstandszweigs 24 ist durch einen Transistor T2 gebildet, dessen Kollektor über den so Festwiderstand 26 mit dem Leiter 13 verbunden ist, während der Emitter direkt an die Klemme 7b angeschlossen ist.

Der Ausgang des Frequenzteilers 23 ist über einen Kondensator Q in Reihe mit einem Widerstand R16 mit der Basis des Transistors T2 verbunden, die andererseits mit der Klemme 7b 55 über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R17 und einer Diode D2 verbunden ist.

Der Kondensator Q bildet zusammen mit den Widerständen Rif, und R17 ein Differenzierglied, das bewirkt, dass der Transistor T2 bei jeder ansteigenden Flanke des vom Ausgang des 60 Frequenzteilers 23 gelieferten Rechtecksignals für eine kurze Zeitdauer von etwa 200 [xs leitend wird. Während dieser Schaltphase des Transistors T2 fliesst über den gesteuerten Widerstandszweig 24 ein Stromimpuls IM, dessen Grösse durch den Festwiderstand 26 bestimmt ist. Dieser Stromimpuls überlagert 65 sich dem Grundstrom auf der Zweidrahtleitung 5.

Der Schalter 31 ist durch einen pnp-Transistor T3 gebildet, dessen Emitter an den positiven Leiter 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über die Wicklung des Relais 30 mit der

652 499

Klemme 7b verbunden ist, wobei gegebenenfalls zur Strombegrenzung noch ein niederohmiger Widerstand R18 in Reihe geschaltet ist. Eine Diode D3 überbrückt die Relaiswicklung, um Schaltspitzen kurzzuschliessen. Der Schalter 34 ist ebenfalls durch einen pnp-Transistor T4 gebildet, dessen Emitter-Basis-Strecke parallel zu einem Widerstand R19 in Reihe mit der Wicklung des Relais 30 im Kollektorkreis des Transistors T3 liegt. Der Kollektor des Transistors T4 ist über eine Diode D4 und einen Widerstand R20 mit der Klemme 35 verbunden.

Die monostabile Kippschaltung 32 enthält einen integrierten Operationsverstärker IC4, beispielsweise vom Typ 1458, dessen nicht invertierender Eingang an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und durch zwei Widerstände R2i , R22 gebildet ist. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers IC4 und dem positiven Leiter 13 ist ein Spannungsteiler R23, R24 angeschlossen, dessen Abgriff mit der Basis des pnp-Transistors T3 verbunden ist.

Der Sondenfehlerdetektor 33 enthält einen als Komparator geschalteten integrierten Operationsverstärker IC5. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der durch zwei zwischen dem positiven Leiter 13 und dem negativen Leiter 14 in Reihe geschaltete Widerstände R26, R27 gebildet ist. Der nichtinvertie-rende Eingang des Operationsverstärkers IC5 ist über einen Widerstand R28 mit der Anschlussklemme 18b der Sonde 2 und über einen Widerstand R29 mit dem negativen Leiter 14 verbunden. Ein Kondensator C6 ist dem Widerstand R29 parallelgeschaltet.

Bei geschlossenem Schalter 17 besteht ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über die Induktivität L1; den Schalter 17, die Klemme 18a, die Sondenelektrode 10, die Anschlussklemme 18b, den Widerstand R28 und den Widerstand R29 zum Leiter 14. Über diesen Gleichstromweg fliesst ein Gleichstrom, dem ein bestimmter HF-Strom überlagert ist. Da die Induktivität Li und die Sondenelektrode 10 für den Gleichstrom als Kurzschluss angesehen werden können, bilden die Widerstände R28 und R29 für den Gleichstrom einen Spannungsteiler, an dessen Abgriff der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC5 angeschlossen ist, während die an diesem Abgriff bestehende HF-Spannung vom Kondensator C6 ausgesiebt wird. Die Widerstände R28 und R29 sind gleich gross, so dass am nichtinvertieren-den Eingang des Operationsverstärkers IC5 bei geschlossenem Schalter 17 eine Spannung besteht, die gleich der Hälfte der zwischen den Leitern 13 und 14 bestehenden Versorgungsspannung ist. Wenn dagegen der Schalter 17 geöffnet ist, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC5 das Potential des negativen Leiters 14 an.

Dagegen ist der Widerstand R26 grösser als der Widerstand R27; diese Widerstände sind so bemessen, dass das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC5 anliegende Potential etwa in der Mitte zwischen den beiden Potentialen liegt, die am nichtinvertierenden Eingang beim Öffnen und Schliessen des Schalters 17 periodisch abwechselnd auftreten. Der Operationsverstärker IC5 ist nicht rückgekoppelt, so dass er als Schwel-lenwert-Komparator arbeitet, dessen Ausgang entweder das positive oder das negative Versorgungspotential führt, je nachdem, ob das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential über oder unter dem am invertierenden Eingang anliegenden Potential liegt.

Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers IC5 und dem positiven Leiter 13 ist ein Kondensator C7 in Reihe mit einem Widerstand R30 angeschlossen. Parallel zum Widerstand R3o liegt eine Diode D5. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC4 ist an den Verbindungspunkt zwischen dem .Kondensator C7 und dem Widerstand R30 angeschlossen.

Diese Schaltung arbeitet in der folgenden Weise:

Wenn der Schalter 9 im Auswertegerät 4 geschlossen ist und somit die volle Betriebsspannung an den Klemmen 7a, 7b anliegt, ist der Transistor T3 stromführend (Schalter 31 geschlossen), so dass das Relais 30 erregt ist. Der Schalter 17 ist geschlossen, so dass der Oszillator 20 auf der durch die Sondenkapazität bestimmten Messfrequenz schwingt. Der über den Schalter 17 und die Sondenelektrode 10 verlaufende Gleichstromwegist geschlossen, so dass am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC5 ein Potential anliegt, das höher ist als das am invertierenden Eingang anliegende Potential. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC5 führt das positive Potential des Leiters 13. Der Kondensator C7 ist entladen, und am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC4 liegt das positive Potential des Leiters 13 an, das höher als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist, das durch den Spannungsteiler R21, R22 bestimmt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC4 führt demzufolge ein niedriges Potential, das über den Spannungsteiler R23, R24 den Transistor T3 stromführend macht.

Wenn die Verbindung zwischen der Klemme 7b und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 durch Öffnen des Schalters 9 kurzzeitig für etwa 10 ms unterbrochen wird, hält der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Spannung zwischen den Leitern 13 und 14 aufrecht, wodurch die Stromversorgung der elektronischen Schaltungen des Messwandlers 3 einschliesslich der Operationsverstärker IC4und IC5 während der Dauer dieser Unterbrechung gewährleistet ist. Die Diode 15 sperrt jedoch die Übertragung der Spannung des Kondensators 16 zur Klemme 7b. Die Wicklung des Relais 30 wird daher stromlos, so dass das Relais abfällt und den Schalter 17 öffnet. Der Oszillator 20 schwingt nun auf der Testfrequenz. Gleichzeitig wird der Gleichstromweg zum Sondenfehlerdetektor 33 unterbrochen, so dass der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC5 das negative Potential des Leiters 14 annimmt. Dementsprechend geht auch der Ausgang des Operationsverstärkers IC5 auf das negative Potential. Da der Kondensator C7 zunächst entladen ist, führt nunmehr auch der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC4 ein Potential, das niedriger als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist. Demzufolge besteht am Ausgang des Operationsverstärkers das positive Potential, und der Transistor T3 wird gesperrt (Schalter 31 offen).

Wenn somit der Schalter 9 nach der kurzen Dauer von 10 ms wieder geschlossen wird, bleibt das Relais 30 stromlos, weil der Transistor 31 gesperrt ist. Am Zustand der Schaltung ändert sich nichts, abgesehen davon, dass die Stromversorgung wieder über die Zweidrahtleitung 5 erfolgt und die verbrauchte Ladung des Kondensators 16 wieder ergänzt wird. Der Oszillator 20 schwingt weiterhin auf der Testfrequenz, und die daraus durch Frequenzteilung erhaltenen Impulse werden dem Versorgungsstrom überlagert.

Der Kondensator C7 wird über den Widerstand R30 aufgeladen. Sobald das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC4 das am Abgriff des Spannungsteilers R2Î, R22 bestehende Potential übersteigt, nimmt der Ausgang dieses Operationsverstärkers wieder das negative Potential an, so dass der Transistor T3 wieder stromführend wird. Das Relais 30 wird erregt, und der Schalter 17 schliesst sich. Die Zeitkonstante des vom Widerstand R30 und vom Kondensator C7 gebildeten RC-Glieds ist so bemessen, dass diese Umschaltung nach 0,6s erfolgt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC5 erhält wieder das durch den Spannungsteiler R28, R29 bestimmte höhere Potential, und der Ausgang dieses Operationsverstärkers IC5 nimmt das positive Potential an. Der Kondensator C7 entlädt sich über die Diode D5. Nunmehr ist wieder der Ausgangszustand erreicht.

Im normalen Betrieb wiederholen sich die gleichen Vorgänge bei jedem Öffnen des Schalters 9.

Wenn der über die Sondenelektrode 10 führende Gleichstromweg an irgendeiner Stelle bleibend unterbrochen ist, beispiels6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

652 499

weise infolge eines Sondenabrisses, bleibt der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC5 dauernd auf dem Potential des Leiters 14, und demzufolge behält der Ausgang des Operationsverstärkers dauernd das niedrige Potential.

Bei einem Kurzschluss zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht dagegen am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC5 dauernd das durch den Spannungsteiler R28, R29 bestimmte höhere Potential, so dass der Ausgang des Operationsverstärkers IC5 ständig auf dem positiven Potential bleibt. Wenn schliesslich ein Kriechstrom zwischen der Sondenelektrode 10 und der Wand des Behälters 1 besteht, beispielsweise infolge eines Lecks in der Sondenisolation oder infolge von Kondenswasserbildung, fällt das Potential am Abgriff des Spannungsteilers R28, R29 bei geöffnetem Schalter 17 nicht vollständig auf das negative Potential des Leiters 14 ab, sondern nur auf einen Zwischenwert, der dem vom Kriechstrom am Widerstand R29 verursachten Spannungsabfall entspricht. Wenn dieser untere Spannungswert das am Abgriff des Spannungsteilers R26, R27 anliegende Potential nicht unterschreitet, bleibt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC5 ebenfalls dauernd auf dem hohen Potential. Durch entsprechend grosse Bemessung der Spannungsteilerwiderstände R28, R29 kann erreicht werden, dass diese Wirkung schon bei einem verhälnis-mässig geringen Kriechstromwert von beispielsweise etwa 18 nA eintritt.

In allen geschilderten Störungsfällen findet der zuvor geschilderte periodische Wechsel zwischen Messfrequenz und Testfrequenz nicht mehr statt. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers IC5 dauernd das hohe Potential führt, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers IC4 dauernd auf dem negativen Potential; wenn der Ausgang des Operationsverstärkers IC5 dauernd das negative Potential führt, nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers IC4 nach der Aufladung des Kondensators C7 das niedrige Potential an, das er dann beibehält. In beiden Fällen bleibt der Transistor T3 dauernd geöffnet, so dass das Relais 30 beim Schliessen des Schalters 9 nach der kurzen Zeit von 10 ms wieder Strom erhält. Der Schalter 17 wird also allenfalls für die kurze Zeit von 10 ms geöffnet, so dass das Tastverhältnis der Frequenzumtastung sehr stark geändert ist. Es wäre jedoch auch möglich, die Schaltung so auszulegen, dass der Schalter 17 während der kurzen Dauer von 10 ms geschlossen bleibt. Im Auswertegerät wird somit die Testfrequenz in der vorgesehenen Teilperiode von 0,6s entweder überhaupt nicht oder nur sehr kurzzeitig festgestellt.

Im normalen Betrieb der Sonde und des Messwandlers empfängt somit das Auswertegerät dem Grundstrom überlagerte Stromimpulse IM von etwa 200 |xs Dauer, die periodisch abwechselnd für jeweils 0,6s eine Folgefrequenz von 195 Hz und für 0,4s eine dem Füllstand entsprechend niedrigere Folgefrequenz haben, die (bei verlustbehaftetem Füllgut) auch Null sein kann. Bei der Inbetriebnahme des Geräts erfolgt ein Abgleich auf den zu erfassenden Grenzstand, indem jeweils die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse IM bei offenem und bei geschlossenem Schalter 17 im Auswertegerät 4 gespeichert wird. Im Betrieb wird die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse Im mit den gespeicherten Werten verglichen. Wenn innerhalb der Teilperiode von 0,4s eine Impulsfolgefrequenz festgestellt wird, die dem gespeicherten Wert entspricht, ist dies ein Anzeichen dafür, dass der zu erfassende Grenzstand erreicht ist; im Auswertegerät kann dann ein Relais betätigt werden, das über seine Kontakte das Erreichen des Füllgrenzstandes nach aussen signalisiert oder entsprechende Schaltvorgänge einleitet.

Wenn innerhalb der anderen Teilperiode von 0,6s die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse IM von dem entsprechenden gespeicherten Wert um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich abweicht, ist dies ein Anzeichen dafür, dass der Oszillator 20 im Messwandler 3 nicht einwandfrei arbeitet, beispielsweise infolge des Defekts eines Bauteils. In diesem Fall wird im Auswertegerät 4 ein Alarmrelais betätigt, das eine Störung anzeigt. Dieses Alarmrelais wird auch dann betätigt, wenn die Testfrequenz nicht innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls in jeder Teilperiode von 0,6s auftritt, oder wenn die 5 Testfrequenz in der für die Übertragung der Messfrequenz vorgesehenen Teilperiode erscheint.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung war vorausgesetzt worden, dass die Sondenelektrode 10 mit zwei Anschlussklemmen 18a, 18b ausgestattet ist, so dass über die Sondenelek-10 trode ein galvanischer Stromkreis verläuft, dessen bleibende Unterbrechung einen Sondenabriss anzeigt. Die Anordnung kann jedoch auch in Verbindung mit Stabsonden verwendet werden, die nur eine Anschlussklemme aufweisen. Zwar ist dann die Feststellung eines Sondenabrisses in der geschilderten Weise 15 nicht mehr möglich, die übrigen Funktionen der Schaltung bleiben aber unverändert.

Falls es sich um eine vollisolierte Sondenelektrode handelt, die nicht in leitende Berührung mit dem Füllgut kommen kann, genügt es, die Sondenelektrode an der Klemme 18a anzuschlies-20 sen und die Klemmen 18a und 18b durch einen Kurzschluss zu verbinden. Der Spannungsteiler R28, R29 empfängt dann die gleichen Stromimpulse wie zuvor über den Schalter 17, so dass der Wechsel zwischen Testfrequenz und Messfrequenz in der 25 geschilderten Weise abläuft. Der Detektor 33 spricht in diesem Fall sogar auf das Auftreten eines Lecks in der Sondenisolation oder eines Sondenkurzschlusses an. -

Bei Verwendung einer teilisolierten Sondenelektrode ist diese Massnahme nicht möglich, weil die Berührung der Sondenelek-30 trode mit dem Füllgut ein Leck (bzw. einen Kurzschluss) vortäuschen würde. Der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Messfrequenz kann aber auch in diesem Fall erhalten werden, indem die Klemme 18b mit der Klemme 35 verbunden wird. Der Spannungsteiler R28, R29 ist dann über den Widerstand 35 R20, die Diode D4, den vom Transistor T4 gebildeten Schalter 34 und den vom Transistor T3 gebildeten Schalter 31 mit dem positiven Leiter 13 verbunden. Der Transistor T4 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R19 immer dann geöffnet, wenn das Relais 30 erregt ist; der Schalter 34 wird also synchron mit 40 dem Schalter 17 betätigt. Somit empfängt der Detektor 33 auch in diesem Fall die gleichen Stromimpulse wie zuvor, so dass der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Messfrequenz in der geschilderten Weise stattfindet.

Die beschriebene Test- und Detektoranordnung ist unabhän-45 gig von der Art der Erzeugung der Messwertsignale, die über die Zweidrahtleitung übertragen werden. Sie ist insbesondere nicht auf den zuvor als Beispiel beschriebenen Fall beschränkt, dass die Oszillatorfrequenz von der Sondenkapazität abhängt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform einer Füllstands-50 messanordnung dargestellt, die sich hinsichtlich der Art der Erzeugung der Messwertsignale von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung unterscheidet. Die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Anordnung von Fig. 3 erzeugt der HF-Oszillator 40 55 dauernd eine feste Frequenz, die unabhängig von der Kapazität der Sonde 2 ist. An den Ausgang des Oszillators 40 ist die Primärwicklung eines Transformators 41 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung über den Schalter 17' mit der Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Schalter 17' entspricht dem Schalter 6017 von Fig. 1 und 2; er ist aber als Umschaltkontakt ausgebildet, der im Ruhezustand (bei abgefallenem Relais 30) die Sekundärwicklung des Transfomators 41 mit einer festen Testkapazität 42 verbindet. An die Sekundärwicklung des Transformators 41 ist eine Kapazitätsmessschaltung 43 angeschlossen, die eine Aus-65 gangsspannung liefert, die eine Funktion der mit der Sekundärwicklung verbundenen Kapazität ist. Ein Spannungs/Frequen-zwandler 44 empfängt die Ausgangsspannung der Kapazitätsmessschaltung 43 und erzeugt Ausgangsimpulse, deren Folgefre

652 499

quenz von dieser Spannung abhängt. Durch diese Impulse wird der Schalter 25 betätigt.

Die Betätigung des Schalters 17' erfolgt durch das Relais 30, den Sondenfehlerdetektor 33 und die monostabile Kippschaltung 32 bei j edem kurzzeitigen Öffnen des Schalters 9 in der zuvor beschriebenen Weise. Im normalen Betrieb werden somit während jeder Periode von ls über die Zweidrahtleitung 5 Impulse übertragen, die für die Dauer von 0,6s eine durch die Testkapazität 42 bestimmte Testfrequenz und für die Dauer von 0,4s die durch die Sondenkapazität bestimmte Messfrequenz haben. Bei Versagen eines Schaltungsteils, einem Sondenabriss, einem Son-denkurzschluss oder einem Leck in der Sondenisolation wird dieser regelmässige Wechsel von Testfrequenz und Messfrequenz gestört, was im Auswertegerät 4 als Anzeichen für das Vorliegen eines Fehlers erkannt wird.

Auch bei dieser Ausführungsform ist die Testkapazität 42 so bemessen, dass sie von jeder im Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist. Ferner ist die Sondenkapazität während der Test-Teilperioden vollkommen abgeschaltet, so dass die Testfrequenz konstant und unabhängig vom Füllstand ist.

Es sind natürlich verschiedene Abänderungen der beschriebenen Schaltung möglich. So ist es bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht unbedingt notwendig, dass die Stromversorgungsspannung auf der Zweidrahtleitung 5 zur Erregung eines Relais vollkommen unterbrochen wird. Die Betätigung des Schalters 17 bzw. 17' könnte auch durch eine Triggerschaltung erfolgen, die beispielsweise durch ein kurzzeitiges impulsförmi-ges Absenken der Spannung auf einen niedrigeren jedoch von Null verschiedenen Wert ausgelöst wird, oder die Auslösung könnte durch Überlagerung von Signalen anderer Art erfolgen, beispielsweise von Tonfrequenzsignalen.

Der zuvor beschriebene periodische Wechsel zwischen Messwertsignalen und Testsignalen, die von der Sondenkapazität unabhängig sind, erlaubt zusätzlich eine selbsttätige Kompensation von Umwelteinflüssen, die das Messergebnis beeinflussen können, insbesondere der Temperatur.

Wenn sich beispielsweise bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Frequenz des HF-Oszillators 20 (in Fig. 1 und 2) oder des HF-Oszillators 40 (in Fig. 3) infolge von Teperatureinflüssen ändert, ändert sich auch die Frequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Messwertsignale. Wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wird diese temperaturbedingte Frequenzänderung vom Auswertegerät als Änderung der Sondenkapazität interpretiert, so dass das Messergebnis verfälscht wird. Eine ähnliche Verfälschung der Messergebnisse tritt ein, wenn die Oszillatorfrequenz durch andere Einflüsse verändert wird, beispielsweise durch eine Alterung der Bauelemente, oder wenn die Änderung des die Sondenkapazität darstellenden Parameters der Messwertsignale nicht vom HF-Oszillator, sondern von einem oder mehreren anderen Bestandteilen des Messwandlers verursacht wird.

Alle diese nachteiligen Erscheinungen können bei der beschriebenen Anordnung aufgrund der Tatsache beseitigt werden, dass in jeder Messperiode ausser dem Messwertsignal auch ein Testsignal vorhanden ist, das unabhängig von der Sondenkapazität ist, wobei sich die zuvor erwähnten Einflüsse, wie Temperaturveränderungen, in gleicher Weise auf die Messsignale und auf die Testsignale auswirken.

Die Detektoranordnung 28 (Fig. 1 und 3) ist so ausgebildet, dass sie in jeder Messperiode den die Kapazität darstellenden Wert des Testsignals, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen also die Folgefrequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Stromimpulse, speichert und zur Korrektur bei der Auswertung des anschliessend übertragenen Messwertsignals verwendet. Diese Korrektur kann beispielsweise durch eine der nachstehenden Massnahmen erfolgen:

1. Im einfachsten Fall wird der gespeicherte Wert des Testsignals als Bezugsgrösse bei der Auswertung des Messwertsignals verwendet.

2. Der gespeicherte Wert des Testsignals wird mit dem bei der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert verglichen, und die Abweichung wird als Korrekturgrösse verwendet.

Fig. 4 zeigt als Beispiel ein vereinfachtes Blockschaltbild des Auswertegeräts 4, das die erste der oben angeführten Massnahmen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen von Fig. 1,2 und 3 durchführt.

Man erkennt in Fig. 4 wieder die Spannungsquelle 6, den Widerstand 27, den Schalter 9 und die Zeitsteuerschaltung 29.

Die Detektorschaltung 28 enthält einen Impulsfrequenzdetektor 50, der am Ausgang ein (vorzugsweise digitales) Signal abgibt, das die Folgefrequenz der über den Widerstand 27 gehenden Stromimpulse darstellt. Bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel stellt das Ausgangssignal des Impulsfrequenzdetektors 50 während jeder Messperiode von ls für die Dauer des Messzeitintervalls von 0,4s die Messfrequenz und für die Dauer des Testzeitintervalls von 0,6s die Testfrequenz dar, wenn keine Störung vorliegt.

An den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 sind parallel die Eingänge eines Füllstandsrechners 51 und einer Kontrollschaltung 52 angeschlossen. Der Füllstandsrechner 51 ermittelt aus der während des Messzeitintervalls anliegenden Messfrequenz die Sondenkapazität und dauraus den Füllstand; er gibt im Fall einer kontinuierlichen Füllstandsmessung am Ausgang ein Signal ab, das den Füllstand anzeigt, während er bei einer Verwendung als Füllstandsgrenzschalter am Ausgang ein Signal liefert, wenn der ermittelte Füllstand einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet. Die Kontrollschaltung 52 prüft, ob die Mess- und Testfrequenzen im richtigen Takt aufeinanderfolgen, und sie liefert an einem oder an mehreren Ausgängen Signale, die das Vorliegen einer Störung und gegebenenfalls deren Ursache anzeigen. Die Synchronisierung der Schaltungen 50,51 und 52 erfolgt durch die Zeitsteuerschaltung 29, die durch die Betätigung des Schalters 9 den Beginn jeder Messperiode festlegt.

Zum Zweck der zuvor erläuterten Fehlerkorrektur ist ein Speicher 53 vorgesehen, der gleichfalls an den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 angeschlossen ist und durch die Zeitsteuerschaltung 29 gesteuert wird. Der Speicher 53 speichert in jeder Messperiode die während des Testzeitintervalls festgestellte Testfrequenz, und er liefert am Ausgang den gespeicherten Wert während des anschliessenden Messzeitintervalls. Dieser gespeicherte Wert wird einem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 51 zugeführt.

Im Füllstandsrechner 51 wird der vom Speicher 53 gelieferte Wert der Testfrequenz als Bezugsgrösse bei der Auswertung der Messfrequenz verwendet. Der Wert der Testfrequenz steht zu dem Wert der konstanten Testkapazität (Q in Fig. 2; 42 in Fig. 3) im gleichen Verhältnis wie der Wert der Messfrequenz zu dem Wert der zu messenden Sondenkapazität. Temperaturänderungen oder andere Einflüsse, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und die Messfrequenz auswirken, bleiben daher ohne Auswirkung auf das Messergebnis, wenn die zu messende Sondenkapazität aufgrund des Verhältnisses von Testfrequenz zu Messfrequenz ermittelt wird.

In Fig. 4 ist gestrichelt angedeutet, wie die Schaltung abgeändert werden kann, damit sie nach der zweiten oben angegebenen Massnahme arbeitet. Die Verbindung zwischen dem Ausgang des Speichers 53 und dem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 52 wird zwischen den Punkten A und B aufgetrennt. An den Punkt A ist ein Eingang 55 einer Vergleichsschaltung 54 angeschlossen, die an einem zweiten Eingang 56 ein Signal empfängt, das den bei der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert der Testfrequenz darstellt. Die Vergleichsschaltung 54 gibt an dem mit dem Punkt B verbundenen Ausgang ein Signal ab, das die Abweichung der gespeicherten Testfrequenz

8

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

vom Anfangswert darstellt. Dieses Signal wird dem Füllstandsrechner 51 als Korrektursignal zugeführt, wo es zur Korrektur der von Tamperaturänderungen oder anderen Einflüssen bedingtenAbweichungen bei der Auswertung des Messwertsignals verwendet wird.

Natürlich wäre es auch möglich, den ersten Eingang 55 der Vergleichsschaltung 54 unmittelbar mit dem Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 zu verbinden und den Speicher 53 < den Ausgang der Vergleichsschaltung 54 anzuschliessen. In diesem Fall würde die Vergleichsschaltung 54 den Vergleich zwischen der Testfrequenz und dem Anfangswert in jedem Testzeitintervall durchführen, und der Speicher 53 würde nicht den Wert der Testfrequenz, sondern die festgestellte Abweichung speichern.

Die Anordnung arbeitet in entsprechender Weise, wenn der die Kapazität darstellende Parameter des Messwertsignals und des Testsignals nicht die Folgefrequenz von Impulsen, sondern ein anderer Parameter ist, beispielsweise die Impulsbreite bei

9 652 499

einer Pulsbreitenmodulation oder auch die Codierung bei einer Pulscodemodulation.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass die beschriebene Korrekturanordnung automatisch alle Einflüsse kompensiert, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und auf die Messfrequenz auswirken, unabhängig von der Art dieser Einflüsse (Temperaturabhängigkeit, Alterung von Bauelementen usw.) und von dem die Änderung verursachenden Schaltungsteil.

10 Ein wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, dass die Korrektur der Umwelteinflüsse nicht in dem am Ort der Sonde befindlichen Messwandler, sondern in dem davon entfernten Auswertegerät erfolgt, ohne dass es erforderlich ist, zusätzliche Steuersignale über die Zweidrahtleitung zu übertragen.

15 Die beschriebene Lösung eignet sich auch besonders gut für den Fall, dass die Detektorschaltung 28 des Auswertegeräts durch einen entsprechend programmierten Mikrocomputer gebildet ist.

M

4 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

652 499 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter, mit einer im Behälter isoliert angeordneten kapazitiven Sonde, deren Kapazität vom Füllstand abhängt, einem am Ort 5 des Behälters angeordneten Messwandler, der ein von der Sondenkapazität abhängiges Messwertsignal erzeugt, einem vom Behälter entfernt angeordneten Auswertegerät, das mit dem Messwandler verbunden ist, einer Schaltvorrichtung zur Umschaltung von der kapazitiven Sonde auf eine Testkapazität, 10 die von jeder im normalen Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist, und mit einer Steueranordnung zur periodischen Betätigung der Schaltvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertegerät (4) mit dem Messwandler (3) durch eine Zweidrahtleitung (5) verbunden ist, über die einerseits die 15 für den Betrieb des Messwandlers (3) erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät (4) zum Messwandler (3) und andererseits das vom Mess wandler (3) gelieferte Messwertsignal zum Auswertegerät (4) übertragen werden, dass im Auswertegerät

2. Anordung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (3) einen Oszillator (20) enthält, dessen Frequenz von der Sondenkapazität bzw. von der Testkapazität abhängt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- 30 net, dass die Steuerschaltung (30,32) eine monostabile Kippschaltung (32) enthält, deren Haltezeit kleiner als die Periode und grösser als die Dauer der impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 35 gekennzeichnet, dass die impulsförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung in einer kurzzeitigen Unterbrechung besteht.

(4) eine zeitgesteuerte Einrichtung (9,29) vorgesehen ist, welche 20 die Stromversorgungs-Gleichspannung auf der Zweidrahtleitung

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Messwandler (3) ein Energiespeicher 40 (16) zur Überbrückung der periodischen impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung vorgesehen ist.

(5) periodisch impulsförmig verändert, und dass im Messwandler (3) eine Steuerschaltung (30,32) angeordnet ist, die auf jede impulsförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung anspricht und die Schaltvorrichtung (17) betätigt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Sonde (2) eine vom Behälter isolierte Sondenelektrode (10) aufweist, über die ein 45 von der Schaltvorrichtung (17) gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und dass eine Detektorschaltung (33) vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung (17) im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen 50 Stromimpulse die Übertragung einer diesen Ausfall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät (4) bewirkt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltung (33) beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung (17) 55 sperrt oder deren Tastverhältnis ändert.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltung (33) einen Schwellenwert-Kom-parator (IC5) enthält, von dem ein Eingang an den Abgriffeines in Reihe mit der Sondenelektrode (10) geschalteten Spannungs- 60 teilers (R28, R29) angeschlossen ist und der andere Eingang an einer festen Gleichspannung liegt.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Schwellenwert-Komparators (IC5) mit dem Auslöseeingang der monostabilen Kippschaltung 65 (32) verbunden ist.

10. Anordunung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Sondenelektrode (10) mit nur einer Anschlussklemme der Spannungsteiler (R28, R29) an diese Anschlussklemme angeschlossen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Sondenelektrode (10) mit nur einer Anschlussklemme der Spannungsteiler (R28, R29) über eine synchron mit der ersten Schaltvorrichtung (17) betätigte zweite Schaltvorrichtung (34) an Spannung gelegt ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenkapazität durch die leitende Behälterwand (1) und durch eine von der Behälterwand isolierte Sondenelektrode (10) gebildet ist, dass der eine Leiter (5a) der Zweidrahtleitung (5) mit einer ersten Stelle der Behälterwand (1) verbunden ist, dass der eine Stromversorgungsan-schluss (13) des Messwandlers (3) mit einer zweiten Stelle der Behälterwand (1) verbunden ist, die im Abstand von der ersten Stelle liegt, und dass der andere Stromversorgungsanschluss (14) des Messwandlers (3) mit dem anderen Leiter (5b) der Zweidrahtleitung (5) verbunden ist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Auswertegerät (4) das während jedes Testzeitintervalls übertragene Testsignal zur Korrektur des während jedes Messzeitintervalls übertragenen Messwertsignals verwendet wird.

14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen im Auswertegerät (4) vorgesehenen Speicher (53) zur Speicherung des die Testkapazität darstellenden Wertes des in jedem Testzeitintervall übertragenen Testsignals.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der im Speicher (53) gespeicherte Wert des Testsignals im nächsten Messzeitintervall als Bezugsgrösse bei der Auswertung des Messwertsignals verwendet wird.

16. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Vergleichsschaltung (54), die an einem ersten Eingang den die Kapazität darstellenden Wert des Testsignals und an einem zweiten Eingang einen festen Anfangswert empfängt und die ein die Abweichung zwischen den Eingangswerten darstellendes Ausgangssignal als Korrekturgrösse für die Auswertung des Messwertsignals liefert.

17. Anordnung nach den Ansprüchen 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsschaltung (54) am ersten Eingang das Ausgangssignal des Speichers (53) empfängt.