DE10063718A1 - Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füllstands (3) eines Mediums (1) in einem Behälter (2) weist eine an einer dem vorgegebenen Füllstand entsprechenden Position befestigte aktive Sensoranordnung (4) mit einem Anregungselement (5) und einem Sensorelement (6) auf. Das Anregungselement (5) und das Sensorelement (6) sind mit einer Ansteuerschaltung (10) gekoppelt, wobei das Anregungselement (5) mechanische Schwingungen erzeugt und bei Erreichen des vorgegebenen Füllstands auf das Medium überträgt. Das Sensorelement (6) wandelt mechanische Schwingungen in ein elektrisches Sensorausgangssignal um. Die Ansteuerschaltung (10) erzeugt das Ansteuersignal für das Anregungselement (5) in Abhängigkeit von dem empfangenen Sensorausgangssignal, derart, daß sich die mit dem Ansteuersignal übertragene Leistung erhöht, wenn das Medium (1) den vorgegebenen Füllstand erreicht. Wenn die Leistung des Ansteuersignals erhöht wird, erhöht sich die Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung (10). Die Vorrichtung weist eine Erfassungsschaltung (R, 15) auf, die ein Ausgangssignal (U¶A¶) erzeugt, wenn die Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung (10) einen vorgegebenen Wert überschreitet, wodurch das Ausgangssignal (U¶A¶) das Erreichen des Füllstands anzeigt. Die aktive Sensoranordnung (4) umfaßt beispielsweise einen Gabelschwinger mit einem elektromagnetischen Schwingungserreger und einem an dem Gabelschwinger befestigten Sensorelement oder eine Kombination aus einem ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behäl­ ter mit einer an einer dem vorgegebenen Füllstand entspre­ chenden Position in dem Behälter befestigten aktiven Sen­ soranordnung, wobei die aktive Sensoranordnung ein Anre­ gungselement und ein Sensorelement umfaßt, wobei das Anre­ gungselement und das Sensorelement mit einer Ansteuerschal­ tung gekoppelt sind, wobei das Anregungselement in Abhängig­ keit von einem von der Ansteuerschaltung zugeführten Ansteu­ ersignal mechanische Schwingungen erzeugt und bei Erreichen des vorgegebenen Füllstands auf das Medium überträgt, wobei das Sensorelement mechanische Schwingungen in ein elektri­ sches Sensorausgangssignal umwandelt.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden zu einem großen Teil bei der Feststellung von Füllständen von Flüs­ sigkeiten verwendet.

Typische Vorrichtungen der eingangs genannten Art weisen einen mechanischen Schwinger auf, der von einem piezo-elek­ trischen oder elektromagnetischen elektromechanischen Wand­ ler angeregt wird. Der Schwinger ragt in den Behälter hinein und wird bei Erreichen des Füllstands von dem Medium mecha­ nisch bedämpft. Ein mechanoelektrischer Wandler oder Sensor, beispielsweise ein piezo-elektrischer Wandler, erfaßt die Schwingungen des Schwingers oder Schwingkörpers und gibt ein davon abhängiges Sensorausgangssignal aus. Unter Vorgabe ei­ ner angepaßten Anregung und in Abhängigkeit von dem erfaßten Sensorausgangssignal wird dann festgestellt, ob der Füll­ stand erreicht ist.

Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift DE 17 73 815 eine Vorrichtung zur Feststellung des Füllstands eines Behälters, bei der zwei miteinander mechanisch gekoppelte Schwingstäbe in den Behälter hineinragen. Diese werden von einem elektromagnetischen Wandler in Schwingungen ver­ setzt. Ein Sensor erfaßt die Schwingungen und erzeugt in Ab­ hängigkeit davon ein Sensorausgangssignal, welches verstärkt und in einer Rückkopplungsschleife zur erneuten Anregung der Schwingstäbe verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrich­ tung ist so ausgebildet, daß die Schwingstab-Anordnung zu Schwingungen in ihrer Eigenfrequenz angeregt wird, sofern sich die Schwingstäbe in dem Behälter in Luft aufhalten. Er­ reicht dagegen das in dem Behälter eingefüllte Medium den vorgegebenen Füllstand und beaufschlagt die Schwingstäbe, so wird deren Schwingung soweit gedämpft, daß die Schwingungen schließlich ganz aussetzen. Das Vorhandensein der Schwingun­ gen wird als Anzeige für das Nicht-Erreichen des Füllstands gewertet.

In der Folgezeit wurden weitere Ausbildungen von Vor­ richtungen, die einen in den Behälter hineinragenden Schwin­ ger verwenden, bekannt, bei denen zur Feststellung des Er­ reichens eines vorgegebenen Füllstands die Abklingzeitdauer bei periodischer Impulsanregung (z. B. DE 30 44 354 C2), die Amplitude einer periodisch abklingenden Schwingung (DE 35 16 200 A1) oder die Schwingfrequenz bei einer vorgege­ benen Resonanzbedingung (Phasenbeziehung) (z. B. US 5,895,848) ausgewertet werden. Die ausreichend genaue Auswertung des Schwingverhaltens hinsichtlich der Frequenz bzw. der Zeit erfordert aber in der Regel eine relativ kom­ plizierte Auswerteschaltung, damit Fehlinterpretationen des von dem Sensor erfaßten Signals vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, die eine einfache und für die Hauptanwendungsfälle ausreichend zuverlässige Feststel­ lung der Erreichung des Füllstands gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrich­ tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein we­ sentlicher Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist die Erkenntnis, daß dann, wenn eine Ansteuerschaltung verwendet wird, um das Ansteuersignal für das Anregungselement in Ab­ hängigkeit von dem Sensorausgangssignal des Sensorelements zu erzeugen, und wenn diese Ansteuerschaltung so ausgebildet wird, daß sich die mit dem Ansteuersignal übertragene Lei­ stung erhöht, wenn das Medium den vorgegebenen Füllstand er­ reicht (schließt hier ein Überschreiten des Füllstands ein) und dadurch auf die aktive Sensoranordnung einwirkt, eine einfache Erfassungsschaltung zur Erfassung einer erhöhten Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung ausreicht, um ein das Erreichen des Füllstands anzeigendes Ausgangssignal zu erzeugen. Die sich ändernde Leistungsaufnahme der die aktive Sensoranordnung ansteuernden Ansteuerschaltung ist für die meisten Anwendungsfälle ausreichend signifikant. Die Gesamt­ anordnung ist relativ einfach, da weder ein spezielles Regi­ me der Anregung des Anregungselements noch eine komplizierte Auswerteschaltung zur Auswertung des Frequenz/Zeit-Verhal­ tens des Sensorausgangssignals erforderlich ist.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung umfaßt das Anregungselement einen elektromechanischen Wandler, der mit einem mechanischen Schwinger verbunden ist, wobei das Medium bei Erreichen des vorgegebenen Füllstandes auf wenigstens einen Teil des mechanischen Schwingers schwingungsdämpfend einwirkt und wobei das Sensorelement mit dem mechanischen Schwinger derart gekoppelt ist, daß es die Schwingungen des mechanischen Schwingers erfaßt. Der mecha­ nische Schwinger ist beispielsweise ein Gabelschwinger, von dessen beiden Zungen wenigstens eine so in den Behälter hin­ einragt, daß sie von dem Medium bei Erreichen des vorgegebe­ nen Füllstands bedämpft wird. Der mechanische Schwinger (zumindest aber dessen mit dem Medium in Kontakt tretenden Oberflächen) ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gefer­ tigt, der gegen aggressive Medien beständig ist und eine ho­ he mechanische Güte aufweist. Der elektromechanische Wandler ist vorzugsweise ein elektromagnetischer Schwingungserreger. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung erzeugt die Ansteuerschaltung das Ansteuersignal für das mit dem mechanischen Schwinger verbundene Anregungselement der­ art, daß die Schwingungsamplitude der mechanischen Schwin­ gungen, aus denen das Sensorelement das Sensorausgangssignal erzeugt, auf einem näherungsweise konstanten Wert gehalten wird. Eine Ansteuerschaltung, die lediglich die Schwin­ gungsamplitude auf einem näherungsweise konstanten Wert hält, ist relativ einfach zu implementieren. Der gewünschte Effekt der Leistungserhöhung bei Erreichen des Füllstands ergibt sich dann dadurch, daß bei einer Bedämpfung des me­ chanischen Schwingers die diesem zuzuführende Leistung er­ höht werden muß, damit der dämpfende Einfluß kompensiert wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ansteuerschaltung einen von einem Steuersignal angesteuerten Leistungsverstärker zur Erzeugung des Ansteuersignals, einen Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung des Sensorausgangssi­ gnals in ein digitales Eingangssignal, einen Mikrocontroller mit einem Eingabeport zum Empfangen des digitalen Eingangs­ signals und mit einem Ausgabeport zur Ausgabe eines digita­ len Steuersignals und einen Digital-Analog-Wandler zur Um­ setzung des digitalen Steuersignals in das den Leistungsver­ stärker ansteuernde Steuersignal auf. Der Mikrocontroller erzeugt das digitale Steuersignal in Abhängigkeit von dem digitalen Eingangssignal unter Abarbeitung eines Steuerpro­ gramms und unter Verwendung von Parameterdaten aus einem Speicher. Mikrocontroller, d. h. Mikroprozessoren mit zugehö­ rigen Speichereinrichtungen (ROM, RAM) und Eingabe/Ausgabe- Schnittstellen einschließlich D/A-Wandlern und A/D-Wandlern sind universelle und preiswert verfügbare Bauelemente. Die Leistungsaufnahme-Änderung wird dabei im wesentlichen von der Änderung der Leistungsaufnahme der analogen Ansteuer­ schaltung bestimmt, die das Ansteuersignal für das Anre­ gungselement erzeugt. Die Stromaufnahme (bei Konstantspannungsspeisung) der übrigen Bauelemente der Regelschaltung bleibt dagegen im wesentlichen konstant.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungsele­ ment einen elektromechanischen Wandler umfaßt, der bei Er­ reichen des vorgegebenen Füllstandes Schwingungen auf das Medium überträgt, die sich in dem Medium als Wellen ausbrei­ ten, und daß das Sensorelement die sich im Medium ausbrei­ tenden Wellen erfassen kann, wobei die aktive Sensoranord­ nung einen Übertragungsvierpol bildet, dessen Übertragungs­ kennwerte vom Erreichen des Füllstandes abhängig sind. Zwi­ schen Anregungselement und Sensorelement wird eine mechani­ sche Übertragungsstrecke gebildet, die durch das Medium bei Erreichen des Füllstands geschlossen wird. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel dieser Ausführungsform ist der Übertragungs­ vierpol in eine Rückkoppelstrecke eines astabilen Multivi­ brators derart eingekoppelt, daß sich dessen Schwingverhal­ ten und Leistungsaufnahme signifikant ändern, wenn das Medi­ um den Füllstand erreicht hat. Bei Erreichen des Füllstands verringert sich der Übertragungswiderstand der Rückkoppel­ strecke und es wird eine stärkere Schwingung des astabilen Multivibrators angeregt. Das stärkere Schwingen führt zu ei­ ner erhöhten Leistungsaufnahme. Bei einem alternativen Aus­ führungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist der Übertragungsvierpol in den Rück­ koppelzweig einer Oszillatorschaltung derart eingekoppelt, daß der Oszillator dann zu Schwingungen angeregt wird, wenn das Medium den Füllstand erreicht hat. Die Oszillatorschal­ tung kann beispielsweise einen Hartley-Oszillator oder einen Colpitts-Oszillator umfassen.

Eine bevorzugte Weiterbildung der zweiten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vierpol in eine von zwei Rückkoppel­ strecken eines astabilen Multivibrators eingekoppelt ist und daß der astabile Multivibrator in den Rückkoppelzweig der Oszillatorschaltung eingebunden ist. Das Anregungselement ist ein Ultraschallsensor und das Sensorelement ein Ultra­ schallempfänger. Der astabile Multivibrator ist vorzugsweise mit zwei Bipolartransistoren in Übersteuerungstechnik aufge­ baut, wobei der Kollektorwiderstand eines der beiden Transi­ storen durch einen Parallelschwingkreis aus Induktivität und Kapazität gebildet ist. Die Induktivität oder die Kapazität sind in zwei in Reihe geschaltete Induktivitäten bzw. Kapa­ zitäten mit einem Mittelabgriff aufgeteilt (Hartley- bzw. Colpitts-Oszillator), wobei die Rückkopplung aus diesem Ab­ griff zur Basis des Transistors über die Ultraschall-Sender- Empfänger-Strecke und den astabilen Multivibrator vorgenom­ men wird. Der Parallelschwingkreis ist vorzugsweise auf die Resonanzfrequenz der Ultraschall-Sender-Empfänger-Strecke abgestimmt. Es hat sich gezeigt, daß die eine Kombination eines astabilen Multivibrators und eines Oszillators enthal­ tende Ansteuerschaltung eine signifikante Erhöhung der Lei­ stungsaufnahme bei Erreichen des Füllstands (Schließen der Ultraschallstrecke) erfährt und somit besonders gut für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet ist.

Bei beiden genannten Grundausführungsformen kann die Er­ fassungsschaltung bei einem Ausführungsbeispiel einen in die Stromversorgungsleitung der Ansteuerschaltung eingekoppelten Widerstand und eine die Spannung über den Widerstand auswer­ tende Schaltung umfassen. Ein solcher Shunt-Widerstand er­ laubt eine einfache Erfassung der erhöhten Stromaufnahme. Bei anderen Auführungsformen erfaßt die Erfassungsschaltung wenigstens eine von der Leistungsaufnahme der Ansteuerschal­ tung abhängige Spannung in der Ansteuerschaltung selbst, wo­ bei die erfaßte Spannung einen vorgegebenen Spannungswert über- oder unterschreitet, wenn die Leistungsaufnahme den vorgegebenen Wert überschreitet. In bevorzugter Weiterbil­ dung weist die Erfassungsschaltung einen Komparator auf, der die erfaßte Spannung mit einer Referenzspannung vergleicht und ein binäres Signal ausgibt, aus dem das Ausgangssignal abgeleitet ist. Dies gestattet eine besonders einfache und zuverlässige Erfassung eines für das Erreichen des Füllstan­ des signifikanten Werts der Leistungszunahme bzw. Stromzu­ nahme (bei Speisung mit einer im wesentlichen konstanten Spannung).

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeich­ nungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vor­ richtung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einem Gabelschwinger; und

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausfü­ hrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststel­ lung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einer aus Ultraschallsender und Ultraschallemp­ fänger bestehenden, in den Behälter hineinragenden aktiven Sensoranordnung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füll­ stands eines Mediums 1 in einem Behälter 2. An einer dem vorgegebenen Füllstand 3 entsprechenden Position ist in dem Behälter eine aktive Sensoranordnung 4 befestigt. Die aktive Sensoranordnung 4 umfaßt ein Anregungselement 5 und ein Sen­ sorelement 6. Über Leitung 7 wird dem Anregungselement 5 ein Ansteuersignal zugeführt, wobei das Anregungselement 5 in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal mechanische Schwingungen erzeugt. Das Anregungselement 5 ist somit ein elektromecha­ nischer Wandler oder Aktor, der beispielsweise aus einem elektromagnetischen Wandler oder einem piezo-elektrischen Wandler besteht. Das über die Leitung 7 dem Anregungselement 5 zugeführte Ansteuersignal wird von einem Verstärker 9 er­ zeugt, welcher Bestandteil einer Ansteuerschaltung 10 ist. Der Verstärker 9, vorzugsweise ein Leistungsverstärker, wird wiederum von einer Steuereinrichtung 11 innerhalb der An­ steuerschaltung 10 gesteuert. Das Sensorelement 6 wandelt mechanische Schwingungen in ein elektrisches Sensorausgangs­ signal um, welches über die Leitung 8 der Eingangsschaltung 12 in der Ansteuerschaltung 10 zugeführt wird. Bei den Lei­ tungen 7 und 8 handelt es sich selbstverständlich in der Re­ gel um zwei oder mehr Leitungen, was von der Art des verwen­ deten Aktors 5 bzw. Sensors 6 abhängig ist. Die Eingangs­ schaltung 12 wandelt das Sensorausgangssignal in ein für die Steuereinrichtung 11 geeignetes Eingangssignal um. Die Steu­ ereinrichtung 11 erzeugt in Abhängigkeit von dem Eingangssi­ gnal das Steuersignal für den Leistungsverstärker 9, wobei die mit dem so erzeugten Ansteuersignal übertragene Leistung erhöht wird, wenn das Medium den vorgegebenen Füllstand er­ reicht und dadurch auf die aktive Sensoranordnung 4 ein­ wirkt. Die Ansteuerschaltung 10 ist so ausgebildet, daß sich deren Leistungsaufnahme erhöht, wenn die Leistung des über die Leitung 7 übertragenen Ansteuersignals erhöht wird. Dies kann beispielsweise deshalb der Fall sein, weil der Strom­ verbrauch der Ansteuerschaltung 10 im wesentlichen durch den Stromverbrauch des Leistungsverstärkers 9 bestimmt wird. Die Strom- bzw. Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung 10 er­ folgt über die Leitungen 13 und 14. Die Leitung 14 ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel mit Masse verbunden, wäh­ rend die Leitung 13 über einen Vorwiderstand R mit der Ver­ sorgungsspannung U_B verbunden ist. Der Widerstand R ist vor­ zugsweise so gering gewählt, daß der von unterschiedlichen Betriebsströmen I_B bewirkte unterschiedliche Spannungsabfall über dem Widerstand R die Versorgungsspannung zwischen den Leitungen 13 und 14 relativ wenig beeinflußt. Der Spannungs­ abfall U_R über dem Widerstand R ist ein Maß für die Lei­ stungsaufnahme der Ansteuerschaltung 10. Diese Spannung U_R wird den Eingängen 15 einer Auswerteschaltung 16 zugeführt. Die Auswerteschaltung 16 erzeugt eine Ausgangsspannung U_A auf der Leitung 17. Diese Ausgangsspannung U_A weist bei­ spielsweise einen niedrigen Wert (z. B. 0-0,5 Volt) auf, wenn die Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung und somit die Spannung U_R unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, und die Ausgangsspannung U_A steigt sprunghaft auf einen ho­ hen Wert (z. B. 5 Volt), wenn die Leistungsaufnahme der An­ steuerschaltung 10 und somit die Spannung U_R einen vorgege­ benen Wert überschreitet. Das Überschreiten des vorgegebenen Werts der Spannung U_R wird von der Auswerteschaltung 16 er­ faßt, beispielsweise durch einen Vergleich der Spannung zwi­ schen den Eingangsanschlüssen 15 mit einem Spannungsrefe­ renzwert, der innerhalb der Auswerteschaltung 16 gebildet wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fest­ stellung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in ei­ nem Behälter, das einen Gabelschwinger 20 aufweist. Alterna­ tiv können andere mechanische Schwingkörper (z. B. Stäbe) verwendet werden. Die mechanischen Schwingkörper, zumindest die in den Behälter 2 hineinragenden Abschnitte, sind vor­ zugsweise aus einem gegen aggressive Medien beständigen und eine ausreichend hohe mechanische Güte aufweisenden Kunst­ stoff hergestellt, beispielsweise durch Spritzguß. Die akti­ ve Sensoranordnung 4 umfaßt einen elektromagnetischen Schwingungserreger 5 zur Anregung von Schwingungen in dem Gabelschwinger 20 und einen piezo-elektrischen Sensor 6 zur Erfassung der Schwingungen des Gabelschwingers 20. Sowohl das elektromagnetische Anregungssystem 5 als auch der Sensor 6 sind am Fuß des Gabelschwingers 20, vorzugsweise außerhalb der Wandung des Behälters 2, montiert. Der Gabelschwinger 20 ragt durch die Behälterwand in das Innere des Behälters 2. Die Zungen werden von dem in dem Behälter 2 befindlichen Me­ dium bedämpft, wenn das Medium den Füllstand erreicht (bzw. ihn überschritten) hat. Die Sensoranordnung 4 ist vorzugs­ weise in ein Kunststoffgehäuse eingebracht, welches mit ei­ nem Außengewinde versehen ist und in die Behälterwand ein­ gebaut wird. Dabei ragen die beiden Zungen oder Schenkel des Gabelschwingers in den Behälter hinein.

Über die Leitungen 7 und 8 sind der elektromagnetische Schwingungserreger 5 bzw. der piezo-elektrische Sensor 6 mit der Ansteuerschaltung 10 verbunden. Bei dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 2 weist die Ansteuerschaltung 10 drei Dif­ ferenzverstärker 21, 22 und 23 auf. Der Verstärker 21 ver­ stärkt und invertiert das über die Leitungen 8 empfangene Sensorausgangssignal. Am invertierenden Eingang des Verstär­ kers 22 liegt eine Spannung an, die einer Differenz zwischen dem Sensorausgangssignal und einem Sollwert entspricht. Der Verstärker 22 steuert über die Leitungen 7 den elektromagne­ tischen Schwingungserreger an. Die Ansteuerschaltung 10 ent­ hält ferner einen aktiven Gleichrichter 24 und einen Mi­ krocontroller 25. Der Mikrocontroller 25 arbeitet ein Pro­ gramm ab, das eine Regelung des vom Verstärker 22 ausgegebe­ nen Ansteuersignals derart bewirkt, daß die Amplitude des vom Sensor 6 erfaßten Signals konstant gehalten wird. Bei der Abarbeitung des in einem internen Speicher gespeicherten Programms empfängt der Mikrocontroller 25 Eingabedaten über Eingabeschnittstellen und gibt die zur Ansteuerung der Ver­ stärker erforderlichen Ausgabedaten über Ausgabeschnittstel­ len aus.

Wenn das Medium in dem Behälter 2 einen Füllstand er­ reicht, bei dem es die Zungen des Gabelschwingers 20 berührt und deren Schwingungen dämpft, so führen die gedämpften Schwingungen zu einem geringeren Ausgangssignal des Sensors 6. Die Ansteuerschaltung 10 empfängt das geringere Sensor­ ausgangssignal und erzeugt daraufhin über den Verstärker 22 ein Ansteuersignal mit einer höheren Leistung für den elek­ tromagnetischen Schwingungserreger 5, um den Abfall der Am­ plitude des Sensorausgangssignals zu kompensieren. Die Leistung des Ansteuersignals für den Schwingungserreger 5 wird solange erhöht, bis das Sensorausgangssignal wieder einen gewünschten Sollwert erreicht hat. Dadurch erhöht sich die Leistungsaufnahme des Verstärkers 22 und der gesamten An­ steuerschaltung 10. Der erhöhte Leistungsbedarf der Ansteu­ erschaltung 10 wird durch einen erhöhten Stromverbrauch bei näherungsweise konstanter Betriebsspannung gedeckt. Der hö­ here Stromverbrauch führt zu einem größeren Spannungsabfall über dem Widerstand R2. Über einen aus den Widerständen R8 und R9 bestehenden ersten Spannungsteiler und einen aus den Widerständen R5, R22 und R23 bestehenden zweiten Spannungs­ teiler wirkt der Spannungsabfall über dem Widerstand R2 auf den Komparator K1. Das Ausgangssignal ist über einen aus dem Widerstand R7 und dem Kondensator C3 gebildeten Integrator an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators K2 ange­ koppelt. Der invertierende Eingang des Komparators K2 ist an den aus den Widerständen R5, R22 und R23 gebildeten Span­ nungsteiler angekoppelt. Das Ausgangssignal des Komparators K2 schaltet einen Ausgangs-MOSFET Q2 direkt, um ein erstes Ausgangssignal zu bilden, sowie einen weiteren Ausgangs-MOS- FET Q3 indirekt über den aus dem Transistor T2 gebildeten Invertierer, um ein zweites, invertiertes Ausgangssignal zu bilden. Alternativ können die Ausgangstransistoren Q2 und Q3 durch Relais ersetzt werden. Die Sensoranordnung 4 und die Gesamtschaltung, bestehend aus der Ansteuerschaltung 10 und der Versorgungs- und Auswerteschaltung, sind vorzugsweise in ein Kunststoffgehäuse eingebracht, wobei das Kunststoffge­ häuse auch als Träger für den Schwingkörper dient und in die Behälterwand einschraubbar ist. Dies gestattet eine preis­ werte und kompakte Gestaltung des Füllstandssensors.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fest­ stellung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in ei­ nem Behälter 2 mit einer aus Ultraschallsender 5' und Ultra­ schallempfänger 6' bestehenden, in den Behälter 2 hineinragenden aktiven Sensoranordnung 4' (die mit einem Strich ver­ sehenen Bezugszeichen bezeichnen Elemente, die in ihrer Funktion den mit denselben Bezugszeichen ohne Strich gekenn­ zeichneten Elementen der Fig. 1 und 2 entsprechen). Bevor die Details der aktiven Sensoranordnung 4' und der Ansteuer­ schaltung 10' beschrieben werden, die sich von der Sensoran­ ordnung und Ansteuerschaltung gemäß Fig. 2 unterscheiden, sei darauf hingewiesen, daß der Schaltungsabschnitt, der die Ansteuerschaltung 10' versorgt und der erfaßt, wenn die Lei­ stungsaufnahme der Ansteuerschaltung den vorgegebenen Lei­ stungsschwellwert überschreitet, im wesentlichen gleich der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist. Auch hier führt die erhöhte Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung 10' zu einem erhöhten Spannungsabfall (diesmal allerdings nicht über einem Widerstand, sondern über einer Induktivi­ tät), wobei dann, wenn die sich erhöhende Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, eine Komparatorschaltung K1 ein dies anzeigendes Ausgangssignal erzeugt. Der zu erfas­ sende Spannungsabfall wird über den Spannungsteiler, der aus den Widerständen R9 und R8 besteht, dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators K1 zugeführt, während der aus den Widerständen R5, R23 und R22 bestehende Spannungsteiler eine Referenzspannung an dem invertierenden Eingang des Kompara­ tors K1 erzeugt. Bezüglich der weiteren Funktionen wird auf die Beschreibung der Fig. 2 verwiesen. Wie bereits kurz er­ wähnt, besteht der Unterschied gegenüber dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 2, bei dem der Spannungsabfall über dem Vorwiderstand R2 erfaßt worden ist, darin, daß bei dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 3 eine Spannung an einem Knoten 30 innerhalb der Auswerteschaltung 10' abgetastet wird, wo­ bei die Spannung an dem Knoten 30 mit der Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung 10' korreliert.

Die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verwendete aktive Sensoransordnung 4' umfaßt einen piezo-elektrischen Ultraschallwandler 5', der als Ultraschallsender eingekoppelt ist und in den Behälter 2 hineinragt. In einem vorgege­ benen Abstand zu dem Ultraschallsender 5' ist in dem Behäl­ ter 2 ein zweiter piezo-elektrischer Ultraschallwandler ein­ gebracht, der als Ultraschallempfänger dient. Die Übertra­ gung der Ultraschallschwingungen von dem Ultraschallsender zu dem Ultraschallempfänger hängt von dem zwischen den bei­ den piezo-elektrischen Ultraschallwandlern befindlichen Me­ dium ab. Sofern in dem Raum zwischen den beiden piezo-elek­ trischen Ultraschallwandlern, der vorzugsweise als Spalt ausgebildet ist, lediglich Luft oder ein anderes Gas vorhan­ den ist, ergibt sich nur eine geringe Einkopplung von Ultra­ schallschwingungen in den Ultraschallempfänger. Wenn jedoch das (vorzugsweise flüssige) Medium den vorgegebenen Füll­ stand innerhalb des Behälters 2 erreicht hat, wird der Raum zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger mit dem Medium gefüllt, wodurch sich eine gute Weiterleitung der Ul­ traschallschwingung vom Ultraschallsender zu dem Ultra­ schallempfänger ergibt. Der Ultraschallsender 5' ist über die Leitungen 7' mit der Ansteuerschaltung 10' gekoppelt; ebenso ist der Ultraschallempfänger 6' über die Leistungen 8' mit der Ansteuerschaltung 10' gekoppelt. Die Ansteuer­ schaltung 10' enthält eine Oszillatorschaltung, deren Aus­ gangssignal den Ultraschallsender 5' ansteuert, wobei das über den Ultraschallempfänger 6 empfangene Signal in die Os­ zillatorschaltung rückgekoppelt wird. Die aus Ultraschall­ sender und Ultraschallempfänger bestehende Ultraschall- Strecke ist derart in die Oszillatorschaltung eingekoppelt, daß eine signifikant stärkere Schwingung dann angeregt wird, wenn die Ultraschall-Strecke durch das im Behälter 2 befind­ liche Medium geschlossen ist. Die Oszillatorschaltung umfaßt einen mit den beiden Bipolartransistoren T3 und T4 aufgebau­ ten astabilen Multivibrator in Übersteuerungstechnik. Der astabile Multivibrator weist zwei Rückkoppelstrecken auf, die jeweils von dem Kollektor des einen Bipolartransistors zur Basis des anderen Bipolartransistors zurückkoppeln. Die eine Rückkoppelstrecke wird durch den Kondensator C7 gebil­ det. Die andere Rückkoppelstrecke wird über den Kondensator C4, die Ultraschall-Sender-Empfänger-Strecke (7', 5', 6', 8') und den Kondensator C11 gebildet. Zwischen dem Kollektor des Transistors T4 und der Versorgungsspannung findet sich der Kollektorwiderstand R20. Anstelle eines zwischen dem Kollektor des Transistors T3 und der Versorgungsspannung eingeschalteten Kollektorwiderstandes ist ein Parallel­ schwingkreis, bestehend aus den Induktivitäten L1 und L2 und dem Kondensator C8, eingesetzt. Die Induktivitäten L1 und L2 sind in Serie geschaltet, wobei an den Knoten 30 zwischen den beiden Induktivitäten der Kondensator C4 des zweiten Rückkoppelzweiges angeschaltet ist.

Grundsätzlich wäre es denkbar, anstelle des aus Indukti­ vitäten und Kapazitäten bestehenden Parallelschwingkreises einen einfachen Kollektorwiderstand zu verwenden, wobei in diesem Fall der Kondensator C4 an den Kollektor des Transi­ stors T3 angeschaltet würde. Es hat sich aber gezeigt, daß in diesem Fall die unterschiedliche Schwingungsanregung mit bzw. ohne Medium im Spalt zwischen Ultraschallsender und Ul­ traschallempfänger nicht ausreichend differiert, um eine si­ gnifikante Änderung der Leistungsaufnahme der Ansteuerschal­ tung 10' zu bewirken. Die Ultraschall-Sender-Empfänger- Strecke 4' weist eine Eigenfrequenz auf, an die die Schwing­ frequenz der astabilen Multivibratorschaltung angepaßt sein sollte. Aber auch bei angepaßter Frequenz der Multivibrator­ schaltung sind die Unterschiede in der Leistungsaufnahme zwischen den beiden zu erfassenden Zuständen zu gering.

Ein wesentlich besseres Ergebnis wurde durch die Aufnah­ me des Parallelschwingkreises (L1, L2, C8) anstelle des Kol­ lektorwiderstandes des einen Bipolartransistors der Multivi­ bratorschaltung erzielt. Der Parallelschwingkreis bzw. die sich aus der Art der Einkopplung des Parallelschwingkreises ergebende Hartley-Oszillatorschaltung wird vorzugsweise auf die Eigenfrequenz der Ultraschall-Sender-Empfänger-Strecke 4' abgestimmt. Die Eigenfrequenz bzw. die Dimensionierung der übrigen Komponenten der Multivibratorschaltung (ohne Pa­ rallelschwingkreis) ist in diesem Falle relativ unkritisch. Die Multivibratorschaltung wird von dem Parallelschwingkreis gezwungen, in dessen Eigenfrequenz zu schwingen. Die Gesamt­ anordnung ist ausreichend empfindlich, so daß es nur dann zur Schwingungsanregung kommt, wenn die Ultraschall-Strecke durch das Medium geschlossen ist, weil dieses den Füllstand erreicht bzw. überschritten hat. Befindet sich Luft zwischen dem Ultraschallsender 5' und dem Ultraschallempfänger 6', so kommt es lediglich zu sehr geringen oder gar keinen Schwin­ gungen in der Multivibratorschaltung.

Die Anordnung aus Ultraschallsender 5' und Ultraschall­ empfänger 6' ist wiederum vorzugsweise in ein Kunststoffge­ häuse eingebracht, das mit einem Außengewinde versehen ist. Es wird in die Behälterwand derart eingeschraubt, daß Ultra­ schallsender und -empfänger in das Innere des Behälters hin­ einragen.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche alter­ native Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform anstelle des asta­ bilen Multivibrators eine analoge Oszillatorschaltung ver­ wendet werden, in deren Rückkopplungszweig sich die Ultra­ schallwandlerstrecke befindet. Andererseits können anstelle eines astabilen Multivibrators mit Bipolartransistoren in Übersteuerungstechnik andere Multivibratorschaltungen ver­ wendet werden.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Feststellung eines vorgegebenen Füll­ stands (3) eines Mediums (1) in einem Behälter (2) mit einer an einer dem vorgegebenen Füllstand entsprechenden Position in dem Behälter (2) befestigten aktiven Sensoranordnung (4),
wobei die aktive Sensoranordnung (4) ein Anregungsele­ ment (5) und ein Sensorelement (6) umfaßt, wobei das Anre­ gungselement (5) und das Sensorelement (6) mit einer Ansteu­ erschaltung (10) gekoppelt sind,
wobei das Anregungselement (5) in Abhängigkeit von einem von der Ansteuerschaltung (10) zugeführten Ansteuersignal mechanische Schwingungen erzeugt und bei Erreichen des vor­ gegebenen Füllstands (3) auf das Medium (1) überträgt,
wobei das Sensorelement (6) mechanische Schwingungen in ein elektrisches Sensorausgangssignal umwandelt,
wobei die Ansteuerschaltung (10) das Sensorausgangssi­ gnal empfängt und in Abhängigkeit von dem Sensorausgangssi­ gnal das Ansteuersignal für das Anregungselement (5) derart erzeugt, daß sich die mit dem Ansteuersignal übertragene Leistung erhöht, wenn das Medium (1) den vorgegebenen Füll­ stand (3) erreicht und dadurch auf die aktive Sensoranord­ nung (4) einwirkt,
wobei sich die Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung (10) erhöht, wenn die Leistung des Ansteuersignals erhöht wird, und
wobei die Vorrichtung eine Erfassungsschaltung (R, 15- 17) aufweist, die ein Ausgangssignal (U_A) erzeugt, wenn die Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung (10) einen vorgege­ benen Wert überschreitet, wodurch das Ausgangssignal das Er­ reichen des Füllstandes (3) durch das Medium (1) anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anregungselement (5) einen elektromechanischen Wandler umfaßt, der mit einem mechanischen Schwinger verbun­ den ist,
daß das Medium bei Erreichen des vorgegebenen Füllstan­ des auf wenigstens einen Teil des mechanischen Schwingers schwingungsdämpfend einwirkt, und
daß das Sensorelement mit dem mechanischen Schwinger derart gekoppelt ist, daß es die Schwingungen des mechani­ schen Schwingers erfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Schwinger ein Gabelschwinger ist, von dessen beiden Zungen wenigstens eine so in den Behälter hin­ einragt, daß sie von dem Medium bei Erreichen des vorgegebe­ nen Füllstands bedämpft wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektromechanische Wandler ein elektroma­ gnetischer Schwingungserreger ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung das Ansteuersignal derart erzeugt, daß sie die Schwingungsamplitude der mecha­ nischen Schwingungen, aus denen das Sensorelement das Sen­ sorausgangssignal erzeugt, auf einem näherungsweise konstan­ ten Wert hält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung einen von einem Steuersignal ange­ steuerten Leistungsverstärker zur Erzeugung des Ansteuersi­ gnals umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Ansteuerschaltung einen Analog-Digital-Wandler zur Umsetzung des Sensorausgangssignals in ein digitales Eingangssignal, einen Mikrocontroller mit einem Eingabeport zum Empfangen des digitalen Eingangssignals und mit einem Ausgabeport zur Ausgabe eines digitalen Steuersignals und einen Digital-Analog-Wandler zur Umsetzung des digitalen Steuersignals in das den Leistungsverstärker ansteuernde Steuersignal aufweist,
wobei der Mikrocontroller unter Abarbeitung eines Steu­ erprogramms und unter Verwendung von Parameterdaten aus ei­ nem Speicher das digitale Steuersignal in Abhängigkeit von dem digitalen Eingangssignal erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anregungselement (5) einen elektromechanischen Wandler umfaßt, der bei Erreichen des vorgegebenen Füllstan­ des (3) Schwingungen auf das Medium (1) überträgt, die sich in dem Medium als Wellen ausbreiten, und
daß das Sensorelement (6) die sich in dem Medium (1) ausbreitenden Wellen erfassen kann,
wobei die aktive Sensoranordnung (4) einen Übertragungs­ vierpol bildet, dessen Übertragungskennwerte vom Erreichen des Füllstandes (3) abhängig sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsvierpol in eine Rückkoppelstrecke eines astabilen Multivibrators derart eingekoppelt ist, daß sich dessen Schwingverhalten und Leistungsaufnahme signifikant ändern, wenn das Medium den Füllstand erreicht hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsvierpol in den Rückkoppelzweig einer Os­ zillatorschaltung derart eingekoppelt ist, daß der Oszilla­ tor zu Schwingungen angeregt wird, wenn das Medium den Füll­ stand erreicht hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oszillatorschaltung einen Hartley-Oszillator oder einen Colpitts-Oszillator umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vierpol in eine von zwei Rückkoppelstrecken ei­ nes astabilen Multivibrators eingekoppelt ist und daß der astabile Multivibrator in den Rückkoppelzweig der Oszilla­ torschaltung eingebunden ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement ein Ultraschallsen­ sor und das Sensorelement ein Ultraschallempfänger ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsschaltung einen in die Stromversorgungsleitung der Ansteuerschaltung eingekoppelten Widerstand (R) und eine die Spannung über dem Widerstand auswertende Schaltung (16) umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsschaltung wenigstens eine von der Leistungsaufnahme der Ansteuerschaltung abhängige Spannung in der Ansteuerschaltung erfaßt, die einen vorgege­ benen Spannungswert über- oder unterschreitet, wenn die Lei­ stungsaufnahme den vorgegebenen Wert überschreitet.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassungsschaltung einen Komparator aufweist, der die erfaßte Spannung mit einer Referenzspan­ nung vergleicht und ein binäres Signal ausgibt, aus dem das Ausgangssignal abgeleitet ist.