DE10023850A1

DE10023850A1 - Kapazitives Meßsystem mit automatischer Kompensation der Kabellänge und des kabelbedingten Temperaturfehlers bei einer kontinuierlichen kapazitiven Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE10023850A1
Application number: DE2000123850
Authority: DE
Inventors: Alfred Haupt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: DE10023850B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Messung von Kapazitäten, insbesondere zur kontinuierlichen kapazitiven Füllstandsmessung, das von kabelbedingten Meßfehlern so weit wie möglich befreit ist. Zudem ermöglicht die Erfindung die Verwendung sowohl sehr kleiner Sonden, deren Kopfdurchmessern in der Größenordnung von 10-15 mm liegt, als auch noch kleinerer Kapazitätssonden im Miniaturformat, die ohne Steckverbindung direkt am Anschlußkabel angeschlossenem werden, und deren Kopfdurchmesser nur wenig größer als der Durchmesser des Sondenkabels selbst ist. DOLLAR A Im wesentlichen umfaßt das erfindungsgemäße Meßsystem ein kapazitives Meßelement, ein mehradriges Koaxialkabel und eine Auswerteschaltung, wobei das kapazitive Meßelement über eine erste Ader des mehradrigen Koaxialkabels mit einem ersten Eingang der Auswerteschaltung galvanisch verbunden ist, und ein Ende einer zweiten Ader des mehradrigen Koaxialkabels mit einem zweiten Eingang der Auswerteschaltung galvanisch verbunden ist, während das andere Ende der zweiten Ader isolierend abgeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Meßsystem, das kabelbedingte Meßfehler insbesondere im Zusammenhang mit einer kontinuierlichen kapazitiven Füllstandsmessung vermeidet.

Kabelbedingten Meßfehlern liegen mehrere Ursachen zugrunde. Unter anderem schlagen die Abhängigkeiten der elektrischen Kabelparameter insbesondere von der Umgebungstemperatur nachteilig zu Buche, wenn die mit einem Meßelement (Sonde, Sensor, Fühler oder sonstiges) aufgenommenen Meßwerte (Istwerte) per Kabel an eine Auswerteschaltung übertragen werden. Im allgemeinen lassen sich die durch das Kabel bedingten parasitären Störwerte im Sinne einer Veränderung der Kabelkapazität, des ohmschen Kabelwiderstands oder eines anderen Kabelparameters nur schlecht von den am Meßelement gewonnenen auszuwertenden Meßwerten trennen. In manchen Betriebskonfigurationen verursacht das Kabel bei der Übertragung der Meßwerte vom Meßelement eine Verfälschung dieser, beispielsweise einen Spannungsabfall oder eine Verzerrung eines Hochfrequenzsignals.

Wenn hier von Kabelkapazität gesprochen wird, ist immer die Kapazität einer einzelnen abgeschirmten Ader gegen Masse gemeint, denn jedes Kabel besteht aus mindestens einer oder mehreren Adern.

Insbesondere bei empfindlichen kapazitiven Messungen ließ sich der temperaturbedingte Störeinfluß des Übertragungskabels unter reellen Betriebsumständen nicht kompensieren. Es mußte deshalb ein gewisser Meßfehler in Kauf genommen bzw. berücksichtigt werden. Da sich jedoch das Meßelement oft an unzugänglicher Stelle befindet, oder einer für eine elektronische Auswerteschaltung ungeeigneten Betriebsumgebung ausgesetzt ist, besteht aus wirtschaftlichen Gründen typischerweise der Wunsch, die Auswerteschaltung an einem vom Meßelement getrennten Ort zu betreiben. Somit ist die Verwendung eines Übertragungskabels in vielen Fällen unabdingbar.

Eine Übertragung des Meßwerts stellt bei kapazitiven Füllstandsmessungen ein besonderes Problem dar. Wie in der DE-OS 197 28 280 A1 ausführlicher beschrieben ist, werden solche Messungen herkömmlicherweise mit kontinuierlich messenden Kapazitätssonden vorgenommen, die in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht werden. Da jedoch die in der Sonde gemessene Kapazität C_s(h) in vielen Fällen einen Kapazitätsmeßwert ergibt, der von der Eigenkapazität des übertragenden Kabels um ein Vielfaches überstiegen wird, können die durch das Kabel verursachten Meßfehler in Relation zu den Meßwerten inakzeptabel groß ausfallen.

Die bisher übliche Methode, die parasitäre Wirkung des Kabels zu kompensieren, beruht bei kapazitiven Füllstandmeßgeräten auf einem manuell vorgenommenen Nullabgleich. Dabei war man bestrebt, die Kabellänge zwischen Sonde und Auswertegerät möglichst kurz zu halten, und verlegte den kritischen Teil der Auswerteschaltung deshalb in den Sondenkopf.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 der Störeinfluß des Kabels an einer kapazitiven Füllstandsmessung nach dem aus der Offenlegungsschrift DE 28 09 340 A1 bekannten Prinzip näher erläutert. Dabei wird eine in einer Sonde 1 gemessene Kapazität C_s(h) in eine Impulsbreite Δt(h) umgewandelt, die sich zeitlich entsprechend füllstandsbedingten Kapazitätsänderungen ändert. Dieses Verfahren ist auch unter der Bezeichnung Pulsbreitenmodulation (PBM) aus der Nachrichtentechnik bekannt und ist bei kapazitiven Füllstandsmessungen weit verbreitet. Im Idealfall ist die Impulsbreite Δt(h) nur dem Füllstand proportional. Nachfolgend wird gezeigt, daß Δt(h) nach dem bekannten Stand der Technik leider auch von der Temperatur und Länge des Sondenkabels abhängt Δt = f(h,ℓ,ϑ) = Δt(h,ℓ,ϑ).

Die Fig. 1 zeigt eine kapazitive Füllstandssonde 1, ein das Sondensignal übertragendes Kabel 2 _S, eine durch einen oder mehrere Kondensatoren C *|K und C gebildete Referenzkapazität 3, zwei monostabile Kippstufen bzw. Timer 4 _S und 4 _Ref, sowie ein vergleichendes Element 5. Die abgebildete Schaltung weist sowohl einen Meß- bzw. Sondenzweig als auch einen Referenzzweig auf, dessen Komponente nach Bedarf mit den entsprechenden Indizes "S" bzw. "Ref" bezeichnet ist. Durch einen Vergleich der am Meß- und Referenzzweig liegenden Kapazitätswerte über das PBM-Verfahren wird der Füllstand ermittelt. Zunächst wird die Arbeitsweise des Meßzweigs beschrieben.

Die füllstandsabhängige Sondenkapazität C_S(h) wird gemäß Fig. 1 bzw. Gl. 1 typischerweise als zusammengesetzter Kapazitätswert betrachtet, der die unveränderliche Minimalkapazität C_{S_min} der Sonde 1 bei h₀ = 0 sowie einen veränderlichen, dem Füllstand h proportionalen Anteil ΔC_S(h) umfaßt.

C_S(h) = C_{S_min} + ΔC_S(h) Gl. 1

Beim PBM-Prinzip gemäß Fig. 1 liegt die Sondenkapazität C_S(h) zusammen mit der unvermeidlichen Kabelkapazität C_K(ℓ,ϑ), die nicht nur von der Kabellänge ℓ sondern zu allem Übel auch von der Temperatur ϑ des Kabels abhängig ist, am zeitbestimmenden RC-Glied des Timers 4 _S an, das auch einen Widerstand R_S umfaßt. Diese Meßstufe erzeugt einen Impuls mit einer füllstandsabhängigen Impulsbreite Δt_S(ℓ,ϑ,h):

Δt_S(ℓ,ϑ,h) = k . C_S(ℓ,ϑ,h) . R_S Gl. 2

mit C_S(ℓ,ϑ,h) = C_K(ℓ,ϑ) + C_S(h) = C_K(ℓ,ϑ) + C_{S_min} + ΔC_S(h), Gl. 3

wobei k eine sinnvoll gewählte Proportionalitätskonstante darstellt.

In dem Timer 4 _Ref des Referenzzweigs bzw. der Referenzstufe wird ein sogenannter Referenzimpuls Δt_Ref erzeugt. Dies erfolgt in der Weise, daß die am Timer 4 _S bei minimalem Füllstand anliegende Eingangskapazität C_S(ℓ,ϑ,h = 0) in der Referenzstufe durch einen Kondensator C_Ref nachgebildet wird, der am Eingang des Referenztimers 4 _Ref liegt, und dessen Kapazität die Zusammenschaltung der Kabelkapazität C_K(ℓ,ϑ) und der Minimalkapazität der Sonde C_{S_min} so weit wie möglich annähert. Da sich jedoch insbesondere die Temperaturabhängigkeit des signalübertragenden Kabels nicht nachbilden läßt, wird ein fester Bezugswert der Kabelkapazität C_K(ℓ,ϑ) als Annäherung gewählt, der deshalb in Fig. 1 mit C *|K bezeichnet wird. Auch die Minimalkapazität der Sonde C_{S_min} läßt sich nicht exakt reproduzieren, weshalb ihre implizite Nachbildung in den Figuren als C angegeben wird.

Für die Referenzstufe gilt somit die Beziehung:

Δt_Ref = k . C_ref . R_Ref mit C_Ref = C *|K + C Gl. 4

Durch Differenzbildung mittels des vergleichenden Elements 5 erhält man den gewünschten Ausgangsimpuls, dessen Breite t_AUS(ℓ,ϑ,h) u. a. vom Füllstand abhängt:

Δt_Aus(ℓ,ϑ,h) = Δt_S(ℓ,ϑ,h) - Δt_Ref = k . [R_S . (C_K(ℓ,ϑ) + C_{S_min} + ΔC_S(h)) - R_Ref . (C *|K + C)] Gl. 5

Wird dann in einem sogenannten Nullabgleich der variable Widerstand R_Ref der Referenzstufe so eingestellt, daß der Referenzimpuls und der Meßimpuls gleich breit sind, dann ist die Ausgangsimpulsbreite Δt_Aus(ℓ,ϑ,h) proportional dem Füllstand gemäß der Gl. 6.

Δt_Aus(ℓ₀,ϑ₀,h₀) = k . R_S . ΔC_S(h₀) + k . [R_S . (C_K(ℓ₀,ϑ₀) + C_{S_min}) - R_Ref . (C *|K + C)] = 0 Gl. 6

Da der Nullabgleich bei ΔC_S(h₀) = 0 durchgeführt wird, muß auch der zweite Summand Null werden, woraus sich die Bestimmungsgleichung für R_Ref ergibt.

Wird R_Ref auf diesen Wert gestellt, erhält man zunächst die gewünschte Abhängigkeit der Impulsbreite von der Füllstandshöhe h für ΔC_S(h) ≠ 0.

Δt_Aus(ℓ₀,ϑ₀,h₀) = k . R_S . ΔC_S(h) für ℓ₀, ϑ₀ Gl. 8

Der Ausgangsimpuls wird nun je nach Auswerteverfahren entweder analog oder digital weiterverarbeitet.

Gl. 8 gilt nur, wenn sich die Kabellänge und die Temperatur des Kabels nach dem Nullabgleich nicht mehr ändern. In der Praxis ist das natürlich nicht der Fall und das Sondenkabel oft großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. In Gl. 8 taucht dann wieder der zweite Summand der Gl. 6 auf, der unerwünschte Abhängigkeiten von der Kabellänge ℓ und der Temperatur ϑ des Kabels enthält, die in das Meßergebnis eingehen und dieses verfälschen. Gleichung 8 geht in Gl. 9 über und beschreibt genau den Stand der Technik.

Δt_Aus(ℓ,ϑ,h) = k . R_S . ΔC_S(h) + k . R_S . [C_K(ℓ,ϑ) - C_K(ℓ₀,ϑ₀)] Gl. 9

Die Kabellänge wird also durch den Nullabgleich vollständig kompensiert, macht aber nach jeder Veränderung derselben einen neuen Nullabgleich erforderlich.

Die Abhängigkeit der Impulsbreite Δt auch von der Temperatur ϑ und Länge ℓ des Sondenkabels zwingt manchen Gerätehersteller dazu, entweder den kritischen Teil der Auswerteschaltung direkt in den Sondenkopf zu verlagern, oder die Entfernung zum Auswertegerät möglichst kurz zu halten.

Enthält der Sondenkopf aber elektronische Bauteile, muß zumindest der Nullabgleich am Sondenkopf vorgenommen werden, was an schwer zugänglichen Stellen (Zisterne, Brunnen, hoher Behälter) unter Umständen problematisch werden kann. Außerdem handelt man sich wieder eine Temperaturabhängigkeit der Elektronik im Sondenkopf ein, die bei großen Temperaturschwankungen größere Folgen als die Temperaturabhängigkeit vom Sondenkabel mit sich bringen kann. Auch wenn die Auswerteschaltung in der Nähe des Sondenkopfes plaziert wird, kann sie großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein und das Problem bleibt bestehen.

Ein weiterer Grund, den Sondenkopf so einfach wie möglich, d. h. ohne Auswerteelektronik, zu bauen, liegt in der Baugröße des Sondenkopfs begründet. Enthält der Sondenkopf Elektronik, kann er nicht beliebig klein gebaut werden, sondern richtet sich in seinem Außendurchmesser nach der Größe des enthaltenen Elektronikmoduls.

Neben der Temperaturabhängigkeit, haben Auswerteschaltungen nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip noch den Nachteil, daß für jede Kabellänge der entsprechende Referenzkondensator C *|K erst ermittelt und in das Gerät implementiert werden muß; fertigungstechnisch ist das ein großer Nachteil, da die Platinen je nach Länge des Sondenkabels unterschiedlich bestückt werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kapazitives Meßsystem zu schaffen, das von den obengenannten Nachteilen des Standes der Technik weitgehend befreit ist. Insbesondere sollen kabelbedingte Meßfehler so weit wie möglich vermieden werden. Zudem sollen sowohl sehr kleine Sonden, deren Kopfdurchmesser in der Größenordnung von 10-15 mm liegt, als auch noch kleinere Kapazitätssonden ohne Steckverbindung mit direkt angeschlossenem Anschlußkabel im Miniaturformat verwendet werden können, deren Kopfdurchmesser nur wenig größer als der Durchmesser des Sondenkabels selbst ist. Bevorzugterweise soll das Meßsystem diese Aufgabe im Zusammenhang mit einer kontinuierlichen kapazitiven Füllstandsmessung erfüllen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kapazitive Meßsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Durch die beanspruchte Erfindung wird nicht nur das Problem der Temperaturabhängigkeit des Kabels gelöst, sondern auch eine Unabhängigkeit von der Kabellänge erreicht.

Im wesentlichen besteht das erfindungsgemäße Meßsystem aus einem kapazitiven Meßelement, einem mehradrigen Koaxialkabel und einer Auswerteschaltung. Wie eingangs erwähnt, kann das Meßelement beispielsweise durch eine Sonde, einen Sensor oder einen Fühler realisiert werden. Geeignete Kapazitätssonden sind aus der DE-OS 197 28 280 A1 bekannt. Jedoch sind alle Ausführungsarten von kapazitiven Meßelementen, die dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind, mutatis mutandis zur Anwendung in der erfindungsgemäßen Meßsystem geeignet. Das Meßelement erfaßt mindestens eine Kapazität aus der Betriebsumgebung des Meßelements, die als Istwert bezeichnet wird.

Ein kapazitives Meßelement weist typischerweise einen ein- oder mehrtorigen Anschluß auf, der ein elektrisches Verbinden des Meßelements an einen derartigen Anschluß einer externen Auswerte- bzw. Anzeigeschaltung ermöglicht. Im Falle des erfindungsgemäßen Meßsystems wird zur Übertragung des Istwerts an die Auswerteschaltung das Meßelement durch eine Ader des mehradrigen Koaxialkabels mit der Auswerteschaltung verbunden, die dementsprechend als Übertragungsader oder Meßader zu bezeichnen ist. Dabei müssen die einzelnen Adern von einer fachnotorischen metallischen Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung umwickelt bzw. umgeben sein.

Erfindungsgemäß wird mindestens eine Ader des mehradrigen Koaxialkabels an ihrem einen Ende mit einem Anschluß der Auswerteschaltung verbunden, während sie an ihrem anderen Ende isolierend abgeschlossen wird. Somit dient diese Ader als Kompensations- bzw. Referenzader. Der Meßader wird mindestens eine Kompensationsader zugeordnet. Die Kompensationsader soll derart gestaltet sein, daß sie hinsichtlich der von der Auswerteschaltung berücksichtigten elektrischen Parameter der Meßader gleicht, für die sie als Kompensationsader fungiert. Vorzugsweise sind zugeordnete Meß- und Kompensationsader(n) derart gestaltet, daß sie gleiche Längen bzw. Kapazitätswerte und gleiches Temperaturverhalten, d. h. Abhängigkeit des Widerstands bzw. der Kapazität von der Temperatur, aufweisen.

Im Falle einer Verwendung der aus der DE-OS 197 28 280 A2 bekannten Kapazitätssonde wird nur die Meßader in der Steckverbindung am Sondenkopf zum Anschluß der Kapazitätssonde verwendet. Die anderen Meßadern enden blind im Stecker zum Sondenkopf, sind dort vollständig isoliert und bilden für die Referenzstufen die Kabelkapazität C_K(ℓ,ϑ) der übertragenden Meßader nach.

Die Verwendung einer derartigen Sonde mit dem Meßsystem gemäß der Erfindung ermöglicht einen Verzicht auf elektronische Bauelemente im Sondenkopf. Stattdessen werden die Sondenelektroden lediglich mittels eines Verbindungsstücks (Stecker, BNC-Buchse, o. ä.), das eine Trennung der Sonde vom Kabel ermöglicht, quasi direkt an die entsprechenden Teile des Kabels angeschlossen. Herkömmlicherweise fand bisher eine Verarbeitung des Meßsignals im Sondenkopf statt. Hierauf wird gemäß der Erfindung vorzugsweise verzichtet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Füllstandsmeßschaltung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsmeßschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsmeßschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsmeßschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsmeßschaltung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Füllstandsmeßschaltung gemäß der Erfindung. Darin werden für gleichartige Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet. Die Fig. 2 hebt die elektrischen Eigenschaften der Füllstandsmeßschaltung auf, während die Fig. 3 eher den physikalischen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung betont.

Vom groben Aufbau her ähnelt die erfindungsgemäße Füllstandsmeßschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Füllstandsmeßschaltung des Standes der Technik. Zum Beispiel weist die erfindungsgemäße Füllstandsmeßschaltung sowohl eine Meß- als auch eine Referenzstufe auf, die eine Umformung des von der Sonde 1 gelieferten Kapazitätswertes in Bezug auf einen durch den Referenzzweig gebildeten, einstellbaren Referenzwert in ein analoges oder digitales Ausgangssignal bewirkt. Jedoch unterscheidet sich der Referenzzweig der erfindungsgemäßen Füllstandsmeßschaltung deutlich von den herkömmlichen Referenzzweigen des Standes der Technik.

Gemäß der Fig. 2 und 3 wird der Referenzzweig unter anderem dadurch gebildet, daß das das Sondenmeßsignal übertragende Kabel 2 mehrere Adern 2 _S und 2 _Ref aufweist, wobei die Ader 2 _Ref am Sondenkopf blind endet und als Teil der Referenzkapazität 3* dient. Somit wird referenzseitig gemäß Gl. 10b eine genaue Nachbildung der in der Meßader 2 _S vorkommenden parasitären Kapazität ermöglicht.

Durch Nullsetzen des zweiten Summanden bei ΔC_S(h₀) = 0 ergibt sich auch hier wieder die Bestimmungsgleichung für R_Ref:

Und man erhält für ℓ₀, ϑ₀ wieder das gleiche Ergebnis wie zuvor in Gl. 8:

Δt_Aus(ℓ₀,ϑ₀,h₀) = k . R_S . ΔC_S(h)

Auch hier taucht nach Änderung von Temperatur oder Kabellänge der zweite Summand wieder auf, hat jedoch verglichen mit Gl. 9 einen wesentlich kleineren Einfluß.

Gl. 12 beschreibt das erfindungsgemäße Meßsystem, bei dem unter Einhaltung der Bedingung C = C_{S_min} der zweite Summand dauerhaft unterdrückt wird. Ist C ≠ C_{S_min}, geht die Differenz zwischen der Kabelkapazität beim Nullabgleich und der gerade vorhandenen Kabelkapazität stark abgeschwächt in die Messung ein, wobei mit zunehmender Kabellänge die Abschwächung immer besser wird. Eine Grenze der Kabellänge wird jedoch durch das Übersprechen gesetzt, das mit zunehmender Länge immer größer wird, und stark von der Qualität des verwendeten Kabels abhängt.

Dadurch, daß die Referenzkapazität für das Kabel durch das Kabel selbst gebildet wird, entfällt die Bestückung mit C *|K, was fertigungstechnisch ein großer Vorteil ist. Es müssen nur die für jeden Pegeldetektor erforderlichen Referenzkapazitäten C bzw. C bestückt werden, die für jeden Sondentyp a priori bekannt sind.

Obwohl keine vollständige Kompensation aller temperaturbedingten Einflüsse erfolgt, ist der Erfinder durch geeignete Experimente zu dem Erkenntnis gelangt, daß ein auf diesen theoretischen Erkenntnissen aufgebaute Füllstandsmeßgerät genaue, weitestgehend nur vom Füllstand abhängige Anzeigen liefert.

Da sowohl die Meßader als auch die Kompensationsader(n) steilflankige Signale im unteren NF-Bereich führen, muß auf eine ausreichende Übersprechdämpfung der Adern untereinander geachtet werden. Gute Ergebnisse wurden mit einem RGB+Sync-Kabel aus der Videotechnik erreicht, das 4 einzeln abgeschirmte Koax-Adern enthält. Wegen der niedrigen Signalfrequenz können aber auch mehrpaarige unsymmetrische Kabel aus dem Audiobereich verwendet werden, die alle von Hause aus eine gute Übersprechdämpfung aufweisen. Mehrpaarige twisted pair-Datenkabel, bei denen innerhalb der Al-Abschirmungen keine Cu-Litze mitgeführt wird, sind nicht sonderlich geeignet, denn die Abschirmungen haben dann zwischen Anfang und Ende des Kabels einen zu hohen Längswiderstand und führen zu Übersprechen der Adern untereinander.

Das Kabel kann zum Beispiel so konfektioniert sein, daß es auf der Seite des Auswertegerätes mit einem mehrpoligen Stecker ausgestattet ist und auf der Seite des Sondenkopfes einen BNC-Stecker besitzt, an den nur die Meßader angeschlossen ist. Um eine durchgehende Abschirmung sicherzustellen, müssen die Steckverbindungen ein Metallgehäuse aufweisen, das mit den Abschirmungen der einzelnen Adern verbunden ist.

Fig. 4 zeigt analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Meßsystems, bei dem jedoch mehrere Referenzzweige vorhanden sind, deren Komponenten mit den jeweiligen Indizes "Ref1" und "Ref2" bzw. "min" und "Pegel2" gekennzeichnet sind. Ein solches Meßsystem findet z. B. in der Füllstandsüberwachung Verwendung, wo mehrere Füllniveaus präzise und störsicher erkannt werden sollen. Dementsprechend gibt es für jedes zu überwachende Füllniveau einen jeweiligen Referenzzweig mit jeweils zugehörigen Stellwiderständen R_Ref1 und R_Ref2, Kapazitäten 2 _Ref1 und 2 _Ref2 bzw. Kondensatoren C und C. Durch entsprechende Einstellung der Referenzwiderstände kann jeder Referenzzweig präzise auf ein bestimmtes Füllniveau eingestellt werden. Es sei jedoch bemerkt, daß die Herleitung der resultierenden Ausgangsimpulsbreite im Vergleich zu den obigen Ergebnissen eine mathematische Umformulierung bedarf.

In den obigen Herleitungen wurde davon ausgegangen, daß der Nullabgleich bei h₀ = 0 stattfindet, d. h. daß das Füllniveau gegenüber den Leerstand gemessen werden soll. Zu diesem Zwecke wurde die Sondenkapazität als zusammengesetzte Kapazität gemäß Gl. 1 betrachtet:

C_S(h) = C_{S_min} + ΔC_S(h)

Diese Aufteilung ist willkürlich und läßt sich den Umständen entsprechend umformulieren, z. B. bei einer Koordinatenverschiebung auf ein anderes Referenzniveau als der Leerstand, beispielsweise auf einen Füllstandspegel X:

C_S(h*) = C_{SPegel_X} + ΔC_S(h*) Gl. 13

mit h* = h - h_{Pegel_X} und = C_{Pegel_X} = C_S(h_{Pegel_X}) = C_{S_min} + ΔC_S(h_{Pegel_X}) Gl. 13a und 13b

Wird ein Referenzzweig durch die Wahl der Referenzkapazität

C_Ref = C_K(ℓ,ϑ) + C *|Pegel_X mit C *|Pegel_X ≈ C_{Pegel_X} Gl. 14

für diesen bestimmten Pegel X ausgelegt, so erhält man durch die oben erwähnte Koordinatenverschiebung anstatt der Gl. 5, 10a und 10b die Gleichung:

Analog zu den Gleichungen 11 und 12 ergeben sich

und Δt_Aus(ℓ₀,ϑ₀,h) = k . R_S . ΔC_S(h) Gl. 17

Aufgrund der Linearität letzterer Gleichung läßt sie sich durch Einsetzen der Gl. 13a als Funktion der Füllstandhöhe h ausdrucken:

Δt_Aus(ℓ₀,ϑ₀,h) = k . R_S . [ΔC_S(h) - ΔC_S(h_{Pegel_X})] Gl. 18

Hieraus ist ersichtlich, daß sich die Ausgangsimpulsbreite eines solchen Referenzzweigs proportional der Füllstandshöhe h ändert, jedoch bis zum Erreichen des Pegels X ein negatives Vorzeichen aufweist.

Wie Fig. 4 und 5 zeigen, ist jedem Referenzzweig eine Vorbereitungslogik (Logik) 5, in der die Differenzbildung im erlaubten Bereich erfolgt, und ein Pegeldetektor 6 und 7 zugeordnet, der zur Erkennung eines Füllniveaus dient. Der Ausgangsimpuls der mit "Logik 1" bezeichneten Logikschaltung 5 bzw. 5 _Ref1 ist, wie ausführlich beschrieben wurde, proportional der Füllstandshöhe h und wird zur Füllstandsmessung verwendet. Auch die Breite des Ausgangsimpulses der mit "Logik 2" bezeichneten Logikschaltung 5 bzw. 5 _Ref2 (Nachspeisepegel) verhält sich proportional zur Füllstandshöhe h. Jedoch hat sie für Füllwerte unter dem Nachspeisepegel ein negatives Vorzeichen, bei welchem Wert sie verschwindet. Auch die Breite des Ausgangsimpulses der mit "Logik 3" bezeichneten Logikschaltung 5 verhält sich auf diese Art und Weise bezüglich des Abpumppegels. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 wird das Verschwinden der Ausgangsimpulse der Logikstufen 5 von den Pegeldetektoren 6 und 7 jeweils in ein Schaltsignal für eine Pumpe bzw. ein Magnetventil umgesetzt.

Das Ausgangssignal der Vorbereitungslogik 5 _Ref1 wird auf einer speziellen LED 8 zur Anzeige gebracht, die ein transparentes Gehäuse aufweist und als exzellenter Nullindikator dient. Der besondere Vorteil des transparenten Gehäuses liegt darin, daß es den Leuchtfleck der LED 8, und somit die Breite des Ausgangsimpulses Δt_Aus(h), direkt sichtbar werden läßt. Da das menschliche Auge ein empfindliches Meßinstrument ist, das auch sehr geringe Intensitätsänderungen wahrnehmen kann, ist diese Anzeige keine optische Spielerei, sondern eine wertvolle Hilfe beim Abgleich der Pegeldetektoren. Bei dem in der DE- OS 197 28 280 A1 beschriebenen Zweipunktregler können auf diese Art und Weise sehr einfach die Schaltpunkte MIN und MAX den gewünschten Pegelwerten zugeordnet werden.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines Füllstandsmeßgerätes für eine Zisterne, das analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 4 nach diesen Erkenntnissen aufgebaut ist. Da es noch eine sogenannte Nachspeiseautomatik für Trinkwasser sowie eine Abpumpautomatik enthält, sind für die Referenzstufen C und D zwei weitere Kompensationsadern vorhanden. Die Fig. 5 ist nach gängiger Praxis derart gezeichnet, daß sie für den Fachmann an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung bedarf.

Nicht zuletzt sei wiederholt, daß die Figuren die Erfindung nur schematisch darstellen und dementsprechend von einer tatsächlichen, physikalischen Verwirklichung abweichen können bzw. fachnotorische Details nicht in allen Einzelheiten wiedergeben. Beispielsweise weisen die einzelnen Adern 2 _S, 2 _Ref, 2 _Ref1 und 2 _Ref2 des Koaxialkabels 2 einen leitenden Kabelteil sowie einen leitenden, den Kabelteil koaxial umgebenden Abschirmteil auf, die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind, und die somit eine Kapazität darstellen. Demgemäß sind sowohl der Kabelteil als auch der Abschirmteil an entsprechenden Eingangstoren der jeweiligen Meß- bzw. Referenzstufe verbunden.

Zudem sind dem Fachmann verschiedene Ausführungsformen einer solchen Auswerteschaltung bekannt. Unter anderem müssen die dargestellten Timer, Widerstände, Stellwiderstände, Kondensatoren, etc. der Auswerteschaltung nicht als Einzelelemente verwirklicht werden, sondern können auch zum Teil oder insgesamt in einer integrierten Schaltung zusammengefaßt werden. Je nach Anwendungsbereich wird der Fachmann auch auf andere, für den gegebenen Zweck allgemein bekannte Auswerteschaltungen zurückgreifen.

Claims

1. Kapazitives Meßsystem, mit
einem kapazitiven Meßelement (1),
einem mehradrigen Koaxialkabel (2)
einer Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5), wobei
das kapazitive Meßelement (1) über eine erste Ader (2 _S) des mehradrigen Koaxialkabels (2) mit einem ersten Eingang der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) galvanisch ver bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Ende einer zweiten Ader (2 _Ref bzw. 2 _Ref1) des mehradrigen Koaxialkabels (2) mit einem zweiten Eingang der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) galvanisch verbunden ist, während das andere Ende der zweiten Ader (2 _Ref bzw. 2 _Ref1) isolierend abgeschlossen ist.

2. Das kapazitive Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste (2 _S) und die zweite Ader (2 _Ref bzw. 2 _Ref1) identische Längen und identische Kapazitäts werte ausweisen.

3. Das kapazitive Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Eingang mindestens zweitorig sind, und daß jede Ader einen leiten den Kabelteil und einen leitenden, den Kabelteil koaxial umgebenden Abschirmteil aufweist, wobei der Kabelteil jeder Ader mit einem Tor des zugeordneten Eingangs und der Ab schirmteil jeder Ader mit einem anderen Tor des zugeordne ten Eingangs derart galvanisch verbunden sind, daß eine so mit am Eingang liegende Kapazität mit der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) gemessen werden kann.

4. Das kapazitive Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) ein Ausgangsignal erzeugt, das von der Kapazitätsdifferenz zwischen der am ersten Eingang liegenden Kapazität und der am zweiten Eingang liegenden Kapazität abhängt.

5. Das kapazitive Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ausgangsignal einen LED (8) treibt.

6. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Meß element (1) eine kapazitive Füllstandssonde (1) ist.

7. Das kapazitive Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Ader (2 _S) des mehradrigen Koa xialkabels (2) entweder direkt oder lediglich über eine Steckerverbindung mit den Elektroden der kapazitiven Füll standssonde (1) derart verbunden ist, daß eine durchgehende Abschirmung zwischen dem Koaxialkabel (2) und der Füll standssonde (1) hergestellt wird.

8. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mehradrige Koa xialkabel (2) ein mehrpaariges, unsymmetrisches Kabel ist.

9. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mehradrige Koa xialkabel (2) ein RGB+Synch-Videokabel mit 4 einzeln abge schirmten Koaxialadern ist.

10. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschal tung (4 _S, 4 _Ref, 5) nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodula tion arbeitet.

11. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang der Eingang einer Meßstufe (4 _S) der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) und der zweite Eingang der Eingang einer ersten Referenzstufe (4 _Ref bzw. 4 _Ref1) der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) ist.

12. Das kapazitive Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere weiteren Adern (2 _Ref2) des Koaxialkabels analog der zweiten Ader (2 _Ref bzw. 2 _Ref1) mit entsprechenden weiteren Referenz stufen (4 _Ref2) der Auswerteschaltung (4 _S, 4 _Ref, 5) verbunden sind.