DE10159336B4 - Process for self-adjustment of a sensor and self-adjusting sensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur automatischen Selbstjustierung eines Sensors, umfassend einen Aufnehmer (1), mit einem Ausgang (1A), der eine Ausgangsspannung (Ua) abgibt, und einen ersten Komparator (31), an welchen die Ausgangsspannung (Ua) sowie eine Referenzspannung (Uref) angelegt sind, wobei der erste Komparator (31) ein Schaltsignal abgibt, falls die Ausgangsspannung (Ua) größer ist als die Referenzspannung (Uref), und andernfalls kein Schaltsignal abgibt, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (Uref) der Ausgangsspannung (Ua) automatisch nachgeführt wird wie folgt:
(a) Falls die Ausgangsspannung (Ua) sowohl
– kleiner oder gleich einer oberen Grenzspannung (UGo) ist, welche durch die Summe aus der Referenzspannung (Uref) plus einem ersten Spannungsabstand (dU1) gegeben ist, als auch
– größer oder gleich einer unteren Grenzspannung (UGu) ist, welche durch die Differenz der Referenzspannung (Uref) minus einem zweiten Spannungsabstand (dU2) gegeben ist, so wird die Referenzspannung (Uref) konstant gehalten,
(b) falls die Ausgangsspannung (Ua) größer ist als die obere...Method for the automatic self-adjustment of a sensor, comprising a sensor (1) with an output (1A), which outputs an output voltage (Ua), and a first comparator (31), to which the output voltage (Ua) and a reference voltage (Uref) are applied, the first comparator (31) emitting a switching signal if the output voltage (Ua) is greater than the reference voltage (Uref) and otherwise not emitting a switching signal, or vice versa, characterized in that the reference voltage (Uref) of the output voltage ( Ua) is automatically updated as follows:
(a) If the output voltage (Ua) is both
- Is less than or equal to an upper limit voltage (UGo), which is given by the sum of the reference voltage (Uref) plus a first voltage distance (dU1), as well
- is greater than or equal to a lower limit voltage (UGu), which is given by the difference of the reference voltage (Uref) minus a second voltage distance (dU2), the reference voltage (Uref) is kept constant,
(b) if the output voltage (Ua) is greater than the upper ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstjustierung eines Sensors sowie einen selbstjustierenden Sensor, insbesondere zur kapazitiven Erfassung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter sowie zur Abstandsüberwachung.The invention relates to a method for self-adjustment of a sensor and a self-adjusting one Sensor, in particular for capacitive detection of the fill level of a medium in a container as well as for distance monitoring.
Bekannt und vielfach im Einsatz sind kapazitive Sensoren zur berührungslosen Füllstandsüberwachung fester oder flüssiger Medien durch Behälterwände hindurch und die Abfrage verschiedenster Objekte auf Distanz innerhalb des Erfassungsbereichs eines Sensorfeldes, das ist der Schaltabstand.Known and widely used capacitive sensors for non-contact level monitoring solid or liquid Media through container walls and the query of various objects at a distance within the Detection range of a sensor field, that is the switching distance.
Das Funktionsprinzip derartiger Sensoren beruht auf der Beeinflussung des aktiven Feldes eines kapazitiven Sensors durch Einbringung der Dielektrika (Er) der zu erfassenden Objekte oder Medien. Durch Einbringung dieser Dielektrika wird die Kapazität eines Kondensators, welcher durch die kapazitiv aktive Fläche des Sensors einerseits und Erde oder die auf Massepotential liegenden Sensorteile andererseits gebildet wird, vergrößert. Wird ein gewisser Kapazitätswert überschritten, löst der Sensor ein Schaltsignal aus; der Sensor ist „betätigt". Dies ist z.B. dann der Fall, wenn der Füllstand eines Mediums die aktive Fläche des Sensors ausreichend bedeckt oder ein Objekt eine gewisse Entfernung zur aktiven Fläche unterschritten hat.The principle of operation of such sensors is based on influencing the active field of a capacitive sensor by introducing the dielectrics (Er) of the objects to be detected or media. By introducing these dielectrics, the capacitance becomes one Capacitor, which is due to the capacitively active area of the Sensors on the one hand and earth or those lying at ground potential Sensor parts on the other hand is formed, enlarged. If a certain capacity value is exceeded, solves the Sensor off a switching signal; the sensor is "activated". This is the case, for example, if the level the active surface of a medium of the sensor is sufficiently covered or an object is a certain distance to the active area has fallen below.
Die Ansprechempfindlichkeit (Schaltabstand auf eine geerdete Metallplatte) eines kapazitiven Sensors muß hierbei immer an die jeweilige Meß- oder Überwachungsaufgabe (Applikation) angepaßt werden. Dies resultiert daraus, dass die Umgebung der aktiven Fläche immer durch andere kapazitive Einflüsse "vorbelastet" wird. Dies ist bei der kapazitiven Füllstandsmessung z.B. die Kapazität der Behälterwandung, durch welche hindurchgemessen wird, oder bei der Distanzabfrage unerwünschte Objekte im Hintergrund, die auch innerhalb des Erfassungsbereiches des Sensors liegen, jedoch nicht miterfasst werden sollen. Z.B. bei der Füllstandserfassung durch eine Behälterwand hindurch bewirkt bereits die Wandung eine erhebliche kapazitive Vorbelastung, die höher sein kann als die eigentliche Kapazität des zu erfassenden Mediums. Ferner bestimmt die Wanddicke zudem die Entfernung zum Medium. Zudem liefern z.B. Stoffe wie Granulat und Öl geringe, Wasser hingegen hohe Er-Werte bzw. Kapazitäten.The response sensitivity (switching distance on a grounded metal plate) of a capacitive sensor always to the respective measuring or monitoring task (Application) can be adjusted. This results from the fact that the area around the active area is always is "preloaded" by other capacitive influences. This is at capacitive level measurement e.g. the capacity the container wall, through which is measured, or when querying the distance undesirable Objects in the background that are also within the detection range of the sensor, but should not be included. For example, during level detection a container wall through this, the wall already causes a considerable capacitive Preload, the higher can be as the actual capacity of the medium to be detected. The wall thickness also determines the distance to the medium. moreover deliver e.g. Substances such as granules and oil low, water, however high Er values or capacities.
Der Sensor muß also je nach Wandstärke, Wandmaterial und zu erfassendem Medium individuell eingestellt werden, um den Füllstand präzise erfassen zu können. Ein zu empfindlich eingestellter Sensor würde bereits allein aufgrund der Wandung eines leeren Gefäßes in den betätigten Zustand übergehen, während ein zu unempfindlicher Sensor auch bei Vollbedeckung der aktiven Fläche kein Schaltsignal auslöst. Auch bei der Distanzabfrage von Objekten würde z.B. eine unmittelbar dahinter liegende Metallwand einen zu empfindlichen Sensor in den dauerbetätigten Zustand bringen, da dieser in einer bestimmten Entfernung schon nur die Metallwand erkennen würde. Der Sensor muß daher präzise auf eine Empfindlichkeit gebracht werden, die gerade ausreicht in diesem Beispiel bei Überschreitung der Gesamtkapazität Objekt+Metallwand ein Schaltsignal auszulösen. Die jeweilige kapazitive Vorbelastung bewirkt also eine Art unerwünschten "Offsets" bzw. Verschiebung des "Arbeitspunktes", welche durch eine entsprechende Sensoreinstellung kompensiert wird.The sensor must therefore, depending on the wall thickness, wall material and the medium to be recorded can be individually adjusted to the level precise to be able to record. A sensor that was set too sensitive would already be due alone the wall of an empty vessel in the actuated Change state, while a sensor that is too insensitive even when the active ones are completely covered area no switching signal triggers. Even when querying the distance of objects, e.g. one immediately behind lying metal wall a too sensitive sensor in the continuously operated state bring, since this only the Would recognize metal wall. The sensor must therefore precise be brought to a sensitivity that is just sufficient in this example when exceeded of the total capacity Object + metal wall to trigger a switching signal. The respective capacitive Preloading thus causes a kind of undesirable "offset" or shift of the "working point", which is caused by a appropriate sensor setting is compensated.
Kapazitive Sensoren arbeiten nach dem Stand der Technik mit kritisch gekoppelten RC-Oszillatoren, welche auf kleine Kapazitätsänderungen mit Aufschwingen oder Abschwingen (Amplitudenauswertung) oder starker Frequenzbeeinflussung (Frequenzauswertung) reagieren. Ferner gibt es einige fremdgesteuerte Verfahren, welche eine kapazitätsabhängige Gleichspannung liefern. Die Einstellung der Empfindlichkeit erfolgt meist durch eine Veränderung der Parameter des kapazitiven Verfahrens selbst, meist der Änderung eines Verstärkungsfaktors im RC-Oszillator (Anschwingschwelle), oder durch Änderung der Schwelle eines Komparators, welcher bei Erreichen einer bestimmten justierenden Gleichspannung das Schaltsignal auslöst.Capacitive sensors rework the state of the art with critically coupled RC oscillators, which is due to small capacity changes with swinging up or swinging down (amplitude evaluation) or stronger Frequency influence (frequency evaluation) react. Furthermore there there are some externally controlled methods, which have a capacity-dependent DC voltage deliver. The sensitivity is usually set by a change the parameter of the capacitive process itself, mostly the change a gain factor in the RC oscillator (Start-up threshold), or by change the threshold of a comparator which, when a certain one is reached adjusting DC voltage triggers the switching signal.
Gebräuchlich und Stand der Technik sind folgende Methoden zur Empfindlichkeitseinstellung:
- – Mit Hilfe eines kleinen Schraubendrehers wird ein im Sensor befindliches Potentiometer mit X-Gang Wendel oder 270 Grad Drehwinkel auf die gewünschte Empfindlichkeit justiert. Dieser Vorgang ist meist zeitraubend und erfordert gewisse Übung bei oft kritischen Einstellungen.
- – Mit
Hilfe eines kleinen Tasters am Sensor wird in der laufenden Applikation
auf Tastendruck die Justage automatisch durchgeführt. Hierzu muß die Applikation
in einen gewissen Zustand gebracht werden, z.B. Gefäß leer oder
voll. Je nach Zustand sind dann unterschiedliche Tasten in bestimmter
Reihenfolge oder eine Taste für
bestimmte Zeitdauern zu drücken.
Ferner signalisieren Leuchtdioden den Abgleichstatus und müssen ggf.
beobachtet und je nach Anzeige weitere Eingaben durchgeführt werden.
Der Anwender muß hierzu
die Bedienungsanleitung studieren und zum Betätigen der meist wassergeschützten Taste(n)
unter Folie oder Gummi ein geeignetes Werkzeug zu Hand haben. Stand
der Technik sind auch Sensoren mit Busschnittstellen für PC-Anschluß. Hier
erfolgt die Justage über
die PC-Tastatur. In jedem Fall erfordert auch diese Methode einige
Zeit und Aufwand. Solche "teachbaren" Sensoren arbeiten
i.d.R. mit Mikroprozessor und A/D-Wandler. Die kapazitätsabhängige Ausgangsspannung
des kapazitiven Aufnehmers wird digitalisiert und der Mikroprozessor
erzeugt hieraus mit einem bestimmten Algorithmus einen mehr oder
weniger richtigen Schaltpunkt. Hierzu existieren z.B. auch die Offenlegungsschriften
DE 195 07094 A1 DE 19715146 A1
- - With the help of a small screwdriver, a potentiometer in the sensor with X-turn or 270 degrees of rotation is adjusted to the desired sensitivity. This process is usually time-consuming and requires some practice with often critical settings.
- - With the help of a small button on the sensor, the adjustment is carried out automatically at the push of a button in the running application. For this purpose, the application must be brought into a certain state, eg the container is empty or full. Depending on the state, different keys are then to be pressed in a specific order or a key for specific periods of time. Furthermore, LEDs indicate the alignment status and may need to be observed and, depending on the display, further entries made. To do this, the user must study the operating instructions and have a suitable tool to operate the mostly water-protected button (s) under film or rubber. State of the art are also sensors with bus interfaces for PC connection. Here the adjustment is done via the PC keyboard. In any case, this method also takes some time and effort. Such "teachable" sensors usually work with a microprocessor and A / D converter. The capacitance-dependent output voltage of the capacitive transducer is digitized and the microprocessor uses this to generate a algorithm more or less correct switching point. For this purpose there are also the published documents
DE 195 07094 A1 DE 19715146 A1
Durch die
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Durch die
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbstjustierenden Sensor und ein Verfahren zur Selbstjustierung eines Sensors anzugeben, wobei eine vollauto matische Anpassung des Sensors an eine Vielzahl von Applikationen ohne jegliches Bedienelement am Sensor und ohne Eingreifen des Anwenders erfolgt.The invention is based on the object a self-adjusting sensor and a method for self-adjustment specify a sensor, with a fully automatic adjustment of the Sensors to a variety of applications without any control element on the sensor and without user intervention.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Selbstjustierung eines Sensors, umfassend einen Aufnehmer, mit einem Ausgang, der eine Ausgangsspannung abgibt, und einen ersten Komparator, an welchen die Ausgangsspannung sowie eine Referenzspannung angelegt sind, wobei der erste Komparator ein Schaltsignal abgibt, falls die Ausgangsspannung größer ist als die Referenzspannung, und andernfalls kein Schaltsignal abgibt, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung der Ausgangsspannung automatisch nachgeführt wird wie folgt:
- (a) Falls die Ausgangsspannung sowohl – kleiner oder gleich einer oberen Grenzspannung ist, welche durch die Summe aus der Referenzspannung plus einem ersten Spannungsabstand gegeben ist, als auch – größer oder gleich einer unteren Grenzspannung ist, welche durch die Differenz der Referenzspannung minus einem zweiten Spannungsabstand) gegeben ist, so wird die Referenzspannung konstant gehalten,
- (b) falls die Ausgangsspannung größer ist als die obere Grenzspannung, so wird die Referenzspannung angehoben, und
- (c) falls die Ausgangsspannung kleiner ist als die untere Grenzspannung, so wird die Referenzspannung abgesenkt.
- (a) If the output voltage is both - less than or equal to an upper limit voltage, which is given by the sum of the reference voltage plus a first voltage distance, and - greater than or equal to a lower limit voltage, which is given by the difference of the reference voltage minus a second Voltage distance), the reference voltage is kept constant,
- (b) if the output voltage is greater than the upper limit voltage, the reference voltage is raised, and
- (c) if the output voltage is less than that lower limit voltage, the reference voltage is lowered.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Selbstjustierung eines Sensors, umfassend einen Aufnehmer, mit einem Ausgang, der eine Ausgangsspannung abgibt, einen Analog-Digital-Wandler, an welchen die Ausgangsspannung angelegt ist und welcher derselben einen digitalen Ausgangswert zuordnet, und eine EDV-Einrichtung, in welche der digitale Ausgangswert eingelesen wird und welche den Ausgangswert mit einem Referenzwert vergleicht und ein Schaltsignal abgibt, falls der Ausgangswert größer ist als der Referenzwert, und andernfalls kein Schaltsignal abgibt, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert dem Ausgangswert automatisch nachgeführt wird wie folgt:
- (a) Falls der Ausgangswert sowohl – kleiner oder gleich einem oberen Grenzwert ist, welche durch die Summe aus dem Referenzwert plus einem ersten Abstandswert gegeben ist, als auch – größer oder gleich einem unteren Grenzwert ist, welche durch die Differenz des Referenzwertes minus einem zweiten Abstandswert gegeben ist, so wird der Referenzwert konstant gehalten,
- (b) falls der Ausgangswert größer ist als der obere Grenzwert, so wird der Referenzwert angehoben, und
- (c) falls der Ausgangswert kleiner ist als der untere Grenzwert, so wird der Referenzwert abgesenkt.
- (a) If the initial value is both - less than or equal to an upper limit value, which is given by the sum of the reference value plus a first distance value, and - greater than or equal to a lower limit value, which is given by the difference of the reference value minus a second Distance value is given, the reference value is kept constant,
- (b) if the initial value is greater than the upper limit, the reference value is increased, and
- (c) if the output value is less than the lower limit, the reference value is lowered.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen selbstjustierenden Sensor, umfassend einen Aufnehmer mit einem Ausgang, der eine Ausgangsspannung abgibt, und einen ersten Komparator mit einem Signaleingang, an welchen über eine erste Leitung die Ausgangsspannung angelegt ist, und einem Referenzeingang, an welchen eine von einer Spannungsquelle abgegebene Referenzspannung angelegt ist, wobei der erste Komparator ein Schaltsignal abgibt, falls die Ausgangsspannung größer ist als die Referenzspannung, und andernfalls kein Schaltsignal abgibt, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Nachführschaltung ist, an welche ebenfalls die Ausgangsspannung angelegt ist und welche die Referenzspannung
- (a) konstant hält, falls die Ausgangsspannung sowohl – kleiner oder gleich einer oberen Grenzspannung ist, welche gegeben ist durch die Summe aus der Referenzspannung plus einem ersten Spannungsabstand, als auch – größer oder gleich einer unteren Grenzspannung ist, welche gegeben ist durch die Differenz der Referenzspannung minus einem zweiten Spannungsabstand,
- s(b) oder anhebt, falls die Ausgangsspannung größer ist als die obere Grenzspannung,
- (c) oder absenkt, falls die der Ausgangsspannung kleiner ist als die untere Grenzspannung.
- (a) holds constant if the output voltage is both - less than or equal to an upper limit voltage, which is given by the sum of the reference voltage plus a first voltage distance, and - is greater than or equal to a lower limit voltage, which is given by the difference the reference voltage minus a second voltage gap,
- s (b) or increases if the output voltage is greater than the upper limit voltage,
- (c) or reduced if the output voltage is less than the lower limit voltage.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch einen
selbstjustierenden Sensor, umfassend einen Aufnehmer, mit einem
Ausgang, der eine Ausgangsspannung abgibt, einen Analog-Digital-Wandler,
an welchen die Ausgangsspannung angelegt ist und welcher derselben
einen digitalen Ausgangswert zuordnet, und eine EDV-Einrichtung, in welche
der digitale Ausgangswert einlesbar ist und welche den Ausgangswert
mit einem in der EDV-Einrichtung gespeicherten Referenzwert zu vergleichen
imstande ist und ein Schaltsignal abgibt, falls der Ausgangswert größer ist
als der Referenzwert, und andernfalls kein Schaltsignal abgibt,
oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet,
daß die EDV-Einrichtun den Referenzwert
- (a) konstant hält, falls der Ausgangswert sowohl – kleiner oder gleich einem oberen Grenzwert ist, welcher gegeben ist durch die Summe aus dem Referenzwert plus einem ersten Abstandswert, als auch – größer oder gleich einem unteren Grenzwert ist, welcher gegeben ist durch die Differenz des Referenzwertes minus einem zweiten Abstandswert,
- (b) oder anhebt, falls der Ausgangswert größer ist als der obere Grenzwert,
- (c) oder absenkt, falls der Ausgangswert kleiner ist als der untere Grenzwert.
that the computer equipment the reference value
- (a) holds constant if the output value is both - less than or equal to an upper limit value, which is given by the sum of the reference value plus a first distance value, and - is greater than or equal to a lower limit value, which is given by the difference the reference value minus a second distance value,
- (b) or increases if the initial value is greater than the upper limit,
- (c) or lowered if the output value is less than the lower limit.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird die Referenzspannung erst dann angehoben bzw. abgesenkt, wenn die Ausgangsspannung für eine erste vorgebbare bzw. zweite vorgebbare Ansprechzeitdauer größer bzw. kleiner geblieben ist als die obere bzw. untere Grenzspannung. In diesem Fall hebt die Nachführschaltung die Referenzspannung erst dann an bzw. senkt die Referenzspannung erst dann ab, wenn die Ausgangsspannung für eine erste vorgebbare bzw. zweite vorgebbare Ansprechzeitdauer größer bzw. kleiner geblieben ist als die obere bzw. untere Grenzspannung. Auf diese Weise können die erfindungsgemäße Nachführung der Referenzspannung zu höheren und/oder tieferen Werten und damit die Selbstjustage des Sensors bei Bedarf mit jeweils einer beliebigen zeitlichen Verzögerung, also jeweils einer beliebigen Ansprechdauer, erfolgen. Damit kann z.B. vorteilhafterweise ein unerwünschtes Ansprechen der Nachführung z.B. auf kurze Störungen der Ausgangsspannung verhindert werden.According to a variant of the invention the reference voltage is only raised or lowered when the output voltage for a first predeterminable or second predeterminable response time is greater or has remained smaller than the upper or lower limit voltage. In in this case the tracking circuit lifts only then does the reference voltage increase or decrease the reference voltage only when the output voltage for a first specifiable or second predefinable response time remained larger or smaller is the upper or lower limit voltage. That way they can tracking of the invention Reference voltage to higher and / or lower values and thus the self-adjustment of the sensor if necessary with any time delay, in other words, any response time. So that can e.g. advantageously an unwanted response of the tracking e.g. for short disturbances of the Output voltage can be prevented.
Ebenso wird gemäß einer anderen Variante der Erfindung der Referenzwert erst dann angehoben bzw. abgesenkt, wenn der Ausgangswert für eine erste vorgebbare bzw. zweite vorgebbare Ansprechzeitdauer größer bzw. kleiner geblieben ist als die obere bzw. untere Grenzwert. In diesem Fall hebt die EDV-Einrichtung den Referenzwert erst dann an bzw. senkt die EDV-Einrichtung den Referenzwert erst dann ab, wenn der Ausgangswert für eine erste vorgebbare bzw. zweite vorgebbare Ansprechzeitdauer größer bzw. kleiner geblieben ist als der obere bzw. untere Grenzwert.Likewise, according to another variant of the invention, the reference value is only raised or lowered when the initial value has remained greater or smaller than the upper or lower limit value for a first predefinable or second predefinable response time period. In this case, the computer equipment only raises the reference value or the computer equipment only lowers the reference value then when the output value has remained greater or smaller than the upper or lower limit value for a first predeterminable or second predefinable response time period.
Die erste und/oder die zweite Ansprechzeitdauer brauchen zeitlich nicht konstant zu sein. Sie können z.B. in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangswertes und/oder der Referenzspannung bzw. Referenzwertes verändert werden, d.h. variabel sein.The first and / or the second response period need not be constant in time. You can e.g. dependent on the time behavior of the output voltage or output value and / or the reference voltage or reference value are changed, i.e. variable his.
Der erste und/oder der zweite Spannungsabstand bzw. der erste und/oder der zweite Abstandswert können zeitlich konstant sein. Gemäß einer anderen Variante der Erfindung sind der erste und/oder der zweite Spannungsabstand bzw. der erste und/oder der zweite Abstandswert zeitlich veränderlich. Hierbei können der erste und/oder der zweite Spannungsabstand bzw. der erste und/oder der zweite Abstandswert insbesondere in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangswertes und/oder der Referenzspannung bzw. des Referenzwertes veränderlich sein. In einer weiteren Verfeinerung dieser Variante nehmen der erste und/oder der zweite Spannungsabstand bzw. der erste und/oder der zweite Abstandswert in Abhängigkeit von einem durch zeitliche Mittelung gewonnenen Durchschnittswert des Betrages der Steigung Ausgangsspannung bzw. des Ausgangswertes und/oder der Referenzspannung bzw. des Referenzwertes zu oder ab. Die Spannungsabstände bzw. Abstandswerte können auf diese Weise z.B. bei Sensoren mit nichtlinearer aber stetiger Abstands-Ausgangsspannungs-Kennlinie im laufenden Betrieb individuell mit der Höhe der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangswertes angepaßt werden.The first and / or the second voltage gap or the first and / or the second distance value can be temporal be constant. According to one other variants of the invention are the first and / or the second Voltage distance or the first and / or the second distance value changeable over time. Here you can the first and / or the second voltage spacing or the first and / or the second distance value in particular depending on the behavior over time the output voltage or the output value and / or the reference voltage or the reference value. In a further refinement of this variant, take the first and / or the second voltage spacing or the first and / or the second distance value depending from an average value obtained over time the amount of the slope of the output voltage or the output value and / or the reference voltage or the reference value to or from. The voltage gaps or distance values can in this way e.g. for sensors with non-linear but steady Distance-output voltage characteristic during operation, individually with the level of the output voltage or adjusted from the initial value become.
Der erste bzw. zweite Spannungsabstand kann die Flußspannung einer oder einer Serienschaltung von Dioden sein, was bedeutet, daß diese Spannungsabstände hardwaremäßig auf sehr einfache Weise bereitgestellt werden können.The first or second voltage gap can the river tension one or a series connection of diodes, which means that these phase clearances hardware on can be provided in a very simple manner.
Durch Serienschaltung weiterer Dioden, Zusatzdioden, können die Spannungsabstände jeweils stufenweise erhöht werden. Durch Überbrückung einzelner Dioden mit Schaltern können die Spannungsabstände des weiteren stufenweise veränderbar sein. Selbstverständlich können die Spannungsabstände auch kontinuierlich veränderbar sein.By connecting further diodes in series, Additional diodes, can the voltage gaps gradually increased become. By bridging individuals Diodes with switches can the voltage gaps further changeable step by step his. Of course can the voltage gaps also continuously changeable his.
Die zeitliche Änderungsrate der Referenzspannung bzw. des Referenzwertes kann auf einen vorgebbaren Höchstwert begrenzt sein, so daß die Referenzspannung bzw. der Referenzwert z.B. sprunghaften Änderungen der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangswertes nur mit begrenzter Geschwindigkeit folgt. Dies kann z.B. dann vorteilhaft sein, wenn die Ausgangsspannung mit hochfrequenten Störungen überlagert ist. Die zeitliche Änderungsrate der Referenzspannung bzw. des Referenzwertes braucht dabei nicht konstant zu sein, sondern kann zeitlich veränderlich sein und dabei z.B. von der Differenz zwischen Ausgangs- und Referenzspannung bzw. Ausgangs- und Referenzwert abhängen. Gemäß einer Variante der Erfindung startet die zeitliche Änderungsrate der Referenzspannung bzw. des Referenzwertes nach Beginn jedes Nachführvorganges mit einem bestimmten Wert und nimmt dann asymptotisch mit der Zeit ab. Der Höchstwert kann zeitlich verändert werden, also zeitlich variabel sein.The rate of change of the reference voltage over time or the reference value can reach a predeterminable maximum value be limited so that the reference voltage or the reference value e.g. sudden changes in the output voltage or follows the output value only at a limited speed. This can e.g. then be advantageous if the output voltage with high frequency Interference superimposed is. The rate of change over time the reference voltage or the reference value does not need to be constant, but can change over time and e.g. the difference between output and reference voltage or output and depend on the reference value. According to one Variant of the invention starts the rate of change of the reference voltage over time or the reference value after the start of each tracking process with a specific one Value and then decreases asymptotically with time. The maximum can be changed over time will be variable in time.
Die Nachführschaltung kann eine reine Analogschaltung ohne digitale Bauelemente sein und z.B. eine erste und eine zweite Diode sowie einen Ladekondensator umfassen, wobei die beiden Dioden antiparallel zwischen den Ausgang des Aufnehmers und den Referenzeingang des Komparators geschaltet sind und der Referenzeingang des Komparators über den Ladekondensator an Masse gelegt ist.The tracking circuit can be a pure one Analog circuit without digital components and e.g. a first and comprise a second diode and a charging capacitor, wherein the two diodes antiparallel between the output of the transducer and the reference input of the comparator are switched and the reference input of the comparator the charging capacitor is connected to ground.
Die Nachführschaltung kann ferner eine Hybridschaltung oder eine digitale Schaltung ohne Mikroprozessor sein. Ferner kann die Nachführschaltung einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikroprozessor umfassen, wobei die Ausgangsspannung an den Analog/Digital-Wandler angelegt ist und dieser die Ausgangsspannung zu digitalisieren und in digitaler Form an den Mikroprozessor auszugeben imstande ist, welcher die Referenzspannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der deren zeitlichem Verhalten zu berechnen und über einen Mikroprozessorausgang abzugeben imstande ist.The tracking circuit can also be a Hybrid circuit or a digital circuit without a microprocessor his. Furthermore, the tracking circuit comprise an analog / digital converter and a microprocessor, the output voltage being applied to the analog / digital converter is and this digitize the output voltage and in digital Is able to output form to the microprocessor which is the Reference voltage depending from the output voltage to calculate their temporal behavior and over is able to deliver a microprocessor output.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Nachführschaltung folgende Komponenten:
- a) einen zweiten und einen dritten Komparator mit je einem Signaleingang, je einem Referenzeingang sowie je einem Schaltsignal-Ausgang, wobei der zweite bzw. dritte Komparator dann und nur dann ein Schaltsignal über seinen Ausgang abgibt, wenn an seinem Signaleingang eine höhere Spannung anliegt als an seinem Referenzeingang,
- b) eine Serienschaltung aus einem dritten Widerstand, einer dritten Diode D3, einer vierten Diode und einem vierten Widerstand, wobei der dritte Widerstand mit seinem von der dritten Diode abgewandten Anschluß an einen Spannungpol und der vierte Widerstand mit seinem von der vierten Diode abgewandten Anschluß an Masse gelegt ist und die dritte und die vierte Diode in jeweils Durchlaßrichtung geschaltet sind, so daß von dem Spannungspol über diese Serienschaltung ein Strom nach Masse fließt,
- c) eine zweite Leitung, welche zwischen der dritten und der vierten Diode von der Serienschaltung abzweigt und mit dem Ausgang des Aufnehmers verbunden ist, so daß zwischen diesen Dioden die Ausgangsspannung anliegt,
- d) eine dritte Leitung, welche zwischen dem dritten Widerstand (R3) und der dritten Diode von der Serienschaltung abzweigt und an den Referenzeingang des dritten Komparators angelegt ist,
- d) eine vierte Leitung, welche zwischen dem vierten Widerstand und der vierten Diode von der Serienschaltung abzweigt und an den Signaleingang des zweiten Komparators angelegt ist,
- e) einen Binärzähler mit einem Zähleingang, einem Richtungseingang, Ausgängen sowie mit einem an diese Ausgänge angeschlossenen R- oder R2R-Netzwerk mit Widerständen, wobei der Richtungseingang mit dem Schaltsignal-Ausgang des zweiten Komparators verbunden ist und der Binärzähler einen internen Zählerstand inkrementiert, falls an seinem Zähleingang ein Taktpuls ankommt und an seinem Richtungseingang ein High-Signal anliegt, und den internen Zählerstand dekrementiert, falls an seinem Zähleingang ein Taktpuls ankommt und an seinem Richtungseingang ein Low-Signal anliegt, und der Binärzähler über seine Ausgänge und das Widerstandsnetzwerk eine in Stufen veränderliche, dem internen Zählerstand proportionale Spannung an eine fünfte Leitung abzugeben imstande ist, welche an den Signaleingang des dritten Komparators sowie an die Referenzeingänge sowohl des zweiten als auch des ersten Komparators angelegt ist,
- f) ein UND-Gatter mit einem ersten und einem zweiten UND-Eingang und einem logischen UND-Ausgang, welcher an den Zähleingang des Binärzählers angelegt ist,
- g) einen Taktgenerator, welcher über seinen Taktausgang Taktimpulse abgibt, wobei der Taktausgang mit dem ersten UND-Eingang des UND-Gatters verbunden ist, und
- h) ein ODER-Gatter mit einem ersten und einem zweiten ODER-Eingang und einem logischen ODER-Ausgang, welcher an den zweiten UND-Eingang des UND-Gatters angeschlossen ist, wobei der Schaltsignal-Ausgang des dritten Komparators an den ersten ODER-Eingang und der Schaltsignal-Ausgang des zweiten Komparators an den zweiten ODER-Eingang angeschlossen ist.
- a) a second and a third comparator, each with a signal input, a reference input and a switching signal output, the second or third comparator emitting a switching signal via its output only when a higher voltage is present at its signal input than at his reference entrance,
- b) a series circuit comprising a third resistor, a third diode D3, a fourth diode and a fourth resistor, the third resistor with its connection facing away from the third diode to a voltage pole and the fourth resistor with its connection facing away from the fourth diode Is connected to ground and the third and fourth diodes are switched in the forward direction, so that a current flows to ground from the voltage pole via this series connection,
- c) a second line which branches off from the series circuit between the third and fourth diodes and is connected to the output of the sensor, so that the output voltage is present between these diodes,
- d) a third line which branches off from the series circuit between the third resistor (R3) and the third diode and is connected to the reference input of the third comparator,
- d) a fourth line which branches off between the fourth resistor and the fourth diode from the series circuit and to the signal input of the second comparator,
- e) a binary counter with a counting input, a direction input, outputs and with an R or R2R network with resistors connected to these outputs, the direction input being connected to the switching signal output of the second comparator and the binary counter incrementing an internal counter reading if A clock pulse arrives at its counter input and a high signal is present at its direction input, and decrements the internal counter reading if a clock pulse arrives at its counter input and a low signal is present at its direction input, and the binary counter receives an in via its outputs and the resistor network Is capable of delivering step-variable voltage proportional to the internal meter reading to a fifth line which is applied to the signal input of the third comparator and to the reference inputs of both the second and the first comparator,
- f) an AND gate with a first and a second AND input and a logic AND output which is applied to the counting input of the binary counter,
- g) a clock generator which emits clock pulses via its clock output, the clock output being connected to the first AND input of the AND gate, and
- h) an OR gate with a first and a second OR input and a logical OR output, which is connected to the second AND input of the AND gate, the switching signal output of the third comparator to the first OR input and the switching signal output of the second comparator is connected to the second OR input.
Zu der ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten Diode können zur Erhöhung der Flußspannung mindestens eine erste bzw. zweite bzw. dritte bzw. vierte Zusatzdiode in Serie geschaltet sein, deren Durchlaßrichtung mit derjenigen der ersten bzw. zweiten bzw. dritten bzw. vierten Diode übereinstimmt. Dies erlaubt eine stufenweise Erhöhung des oberen bzw. unteren Spannungsabstandes.The first, second and third or fourth diode can to increase the flow voltage at least one first or second or third or fourth additional diode be connected in series, the forward direction with that of first or second or third or fourth diode matches. This allows a gradual increase in the upper or lower Voltage spacing.
Die Nachführschaltung kann einen Analog/Digital-Wandler und eine Digitalschaltung umfassen, wobei die Ausgangsspannung an den Analog/Digital-Wandler angelegt ist und dieser die Ausgangsspannung zu digitalisieren und in digitaler Form an die Digitalschaltung auszugeben imstande ist, welche die Referenzspannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung oder deren zeitlichem Verhalten zu berechnen und an den Referenzeingang des ersten Komparators abzugeben imstande ist.The tracking circuit can be an analog / digital converter and comprise a digital circuit, the output voltage being on the analog / digital converter is applied and this digitizes the output voltage and is able to output in digital form to the digital circuit, which is the reference voltage depending on the output voltage or to calculate their temporal behavior and to the reference entrance of the first comparator is able to deliver.
Die Nachführschaltung kann einen von einem ersten Gleichstrom durchflossenen siebten Widerstand und/oder einen von einem zweiten Gleichstrom durchflossenen achten Widerstand umfassen, wobei der Spannungsabfall an dem siebten bzw. achten Widerstand als erster bzw. zweiter Spannungsabstand dient.The tracking circuit can be one of a first direct current through which a seventh resistor flows and / or an eighth resistor through which a second direct current flows include, the voltage drop across the seventh and eighth resistor, respectively serves as the first and second voltage spacing.
Erfindungsgemäß erfolgt eine vollautomatische Anpassung des Sensors an eine Vielzahl von Applikationen ohne jegliches Bedienelement am Sensor und ohne Eingreifen des Anwenders. Der erfindungsgemäße Sensor braucht vorteilhafterweise nur noch installiert zu werden und lernt selbständig die richtige Einstellung auf die Applikation, die er nach dem Einbau "sieht". Bei einem Wechsel der Applikation stellt sich der Sensor von allein neu ein: er „teacht" sich selbst.According to the invention, it is fully automatic Adaptation of the sensor to a variety of applications without any Control element on the sensor and without user intervention. The sensor according to the invention advantageously only needs to be installed and learns independently the correct setting for the application that he "sees" after installation. With a change The sensor automatically adjusts itself to the application: it "teaches" itself.
Die automatische Nachführung der Referenzspannung erfolgt in weitgehender Analogie zum Schleppzeigerprinzip und kann z.B. mittels normaler Analogtechnik, einfacher Digitaltechnik oder eines Mikroprozessors realisiert werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der herkömmlichen Teachtechnik besteht im Wegfall jeglicher Sensorbedienung. Ferner können die richtigen Einstellungen des Sensors mit Hilfe der Erfindung mit noch höherer Präzision getroffen werden als mit der herkömmlichen Teachtechnik. Die Erfindung erlaubt je nach Realisierung auch eine Anpassung der Sensorempfindlichkeit in "Echtzeit". Dies kann in "dynamischen Applikationen" mit schnell wechselnden Anforderungen von größtem Vorteil sein.The automatic tracking of the The reference voltage is largely analogous to the drag pointer principle and can e.g. using normal analog technology, simple digital technology or a microprocessor can be realized. A major advantage across from the conventional Teach technology consists in the elimination of any sensor operation. Further can the correct settings of the sensor with the help of the invention with even higher ones precision be met than with the conventional teach technique. The Depending on the implementation, the invention also allows an adaptation of the sensor sensitivity Real time". This can happen in "dynamic applications" with rapidly changing Requirements of the greatest advantage his.
Die erfindungsgemäße Nachführung mit starren "Arbeitsfenstern", welche erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung Ua in ihrer Gesamtheit verschoben werden, d.h. die beiden Spannungsabstände dU1 und dU2 können, nachdem sie einmal vorgegeben sind, jeweils konstant bleiben. Selbstverständlich können jedoch im Bedarfsfall, z.B. im Fall einer stark gekrümmten Abstands-Spannungs-Kennlinie eines Sensors, individuelle Anpassungen dieser Werte z.B. in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua z.B. durch einen Mikroprozessor erfolgen.The tracking according to the invention with rigid "working windows", which depend on the invention of the time course of the output voltage Ua in its entirety be shifted, i.e. the two voltage spacings dU1 and dU2 can after once specified, they remain constant. Of course you can if necessary, e.g. in the case of a strongly curved distance-voltage characteristic of a sensor, individual adjustments of these values e.g. dependent on from the output voltage Ua e.g. done by a microprocessor.
Die erfindungsgemäße Nachführung ist höchst vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik. Ein erfindungsgemäßer Sensor läßt sich mit sehr geringem technischen oder softwaremäßigen Aufwand realisieren. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß eine automatische Rückstellung des Sensors bei Applikationswechsel immer stattfindet, d.h. eine Anpassung ist in Echtzeit möglich. Der Einlernvorgang ist beliebig kurz, es genügt nur ein Zustand einer Applikation, zum Beispiel volles Gefäß, zum Einlernen.The tracking according to the invention is highly advantageous over the State of the art. A sensor according to the invention can be realize with very little technical or software effort. Another important advantage of the invention is in particular in that one automatic reset of the sensor always takes place when the application is changed, i.e. a Adjustment is possible in real time. The teach-in process is as short as you like, it is only necessary to have one state of an application Example full vessel, for teaching.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann insbesondere für normale Standardapplikationen eingesetzt werden. Der Sensor kann ein z.B. kapazitiver oder ein induktiver oder ein akustischer Sensor oder ein Sensor für elektromagnetische Strahlung, z.B. optoelektronischer Sensor, oder ein mechanischer Tastsensor oder ein kapazitiver Taster sein. Gegenüber herkömmlichen Sensoren besteht der wesentliche Unterschied, daß die externe Justierung des Sensors z.B. durch Einstellen eines Potentiometer mittels eines Schraubendrehers oder Bedienknopfes aufgrund der erfindungsgemäßen Selbstjustierung vorteilhafterweise entfällt; hierdurch wird zudem die in vielen Anwendungen nötige wasser- oder lufttdichte Kapselung des Sensors wesentlich erleichtert, da bei einem erfindungsgemäßen Sensor keinerlei Bedienelemente durch das Sensorgehäuse geführt oder von außen mechanisch zugänglich zu sein brauchen. Auch entfällt jegliches Verlegen von Kabeln für eine elektrische Fernjustierung des Sensors Diese Vorteile kommen z.B. dann ganz besonders vorteilhaft zum Tragen, wenn der Sensor an nicht oder nicht ohne Weiteres oder nur unter Gefahr zugänglichen Stellen betrieben werden muß, etwa unter Wasser, in radioaktiv stark belasteten Räumen (etwa innerhalb von Kernkraftwerken), in toxisch stark belasteten Räumen oder in explosionsgefährdeten Räumen.A sensor according to the invention can be used in particular for normal standard applications. The sensor can be, for example, a capacitive or an inductive or an acoustic sensor or a sensor for electromagnetic radiation, for example an optoelectronic sensor, or a mechanical touch sensor or a capacitive button. Gegenü The main difference over conventional sensors is that the external adjustment of the sensor, for example by adjusting a potentiometer by means of a screwdriver or control button, is advantageously eliminated due to the self-adjustment according to the invention; this also considerably facilitates the water-tight or airtight encapsulation of the sensor required in many applications, since in the case of a sensor according to the invention, no operating elements need to be guided through the sensor housing or need to be mechanically accessible from the outside. There is also no need to lay any cables for electrical remote adjustment of the sensor. These advantages are particularly advantageous, for example, if the sensor has to be operated in places that are not or not easily accessible or only at risk, such as under water, in radioactive environments Rooms (e.g. within nuclear power plants), in rooms with high toxic loads or in rooms with a risk of explosion.
Ferner gleicht ein erfindungsgemäßer Sensor Verschiebungen des Arbeitspunkes, welche ggf. während der Applikation z.B. durch Verschmutzungen, Taubildung, Befeuchtung des Mediums (z.B. im Freien bei Regen) oder Wechsel des Mediums auftreten selbsttätig aus, was den Wartungsaufwand zum Betrieb des Sensors wesentlich reduziert. Die Erfindung ermöglicht "plug and play" in praktisch allen Applikationen.Furthermore, a sensor according to the invention is the same Shifts in the working point, which may occur during the application e.g. due to contamination, dew formation, moistening of the medium (e.g. outdoors in the rain) or change of medium occur automatically, which significantly reduces the maintenance required to operate the sensor. The invention enables "plug and play" in practically all Applications.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Vielzahl herkömmlicher Sensoren ohne Weiteres mit einer erfindungsgemäßen Nachführschaltung nachgerüstet und dann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.Another advantage of the invention is that a Variety of conventional Sensors easily upgraded with a tracking circuit according to the invention and then be operated using the method according to the invention can.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann für jede Applikation eingesetzt werden, für welche ein herkömmlicher Sensor einsetzbar ist, und eignet sich z.B. für folgende Applikationen:
- – Füllstandsüberwachung (alle Medien die Standardsensor kann, Wasser, Öl, Granulat etc.) bei gängigen Wandstärken,
- - Distanzüberwachung mit Hintergrundausblendung.
- - Level monitoring (all media the standard sensor can, water, oil, granules etc.) with common wall thicknesses,
- - Distance monitoring with background suppression.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher zeigen:Brief description of the drawing, in which show:
Wege zur Ausführung der Erfindung:Ways to Execute the Invention:
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird zunächst anhand
von
Bei einem herkömmlichen Sensor gemäß dem Stand
der Technik,
In anderen herkömmlichen Sensoren wird nicht die Referenzspannung am Komparator eir gestellt – diese bleibt vielmehr auf einem immer gleichen festen Wert – sondern die Sensorausgangsspannung Ua kann durch Veränderung des Verstärkungsfaktors des Oszillators oder anderer Parameter in dem Sensor eingestellt, d.h. justiert werden.In other conventional sensors is not the reference voltage is set at the comparator - it rather stays on always the same fixed value - but the sensor output voltage Among other things, through change of the gain factor the oscillator or other parameters set in the sensor, i.e. be adjusted.
Übersteigt
in
Erfindungsgemaß erfolgt demgegenüber die Einstellung
der Referenzspannung Uref selbsttätig. Ein erfindungsgemäßer selbstjustierender
Sensor umfaßt
eine vollautomatisch arbeitende Nachführschaltung, durch welche eine
den Sensor korrekt justierende Referenzspannung Uref elektronisch
aus der Ausgangsspannung Ua abgeleitet wird. Das Potentiometer
Im folgenden wird unter Bezug auf
die
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nun
auf
Jedes dieser beiden Arbeitsfenster ist somit durch zwei unterschiedliche Spannungen definiert, nämlich durch Uref und UGo bzw. durch Uref und UGu. Die Referenzspannung Uref ist dabei immer höher als UGu und kleiner als UGo. In einer bevorzugten Variante der Erfindung sind der Betrag von dU1 und der Betrag dU2 jeweils konstant.Each of these two working windows is therefore defined by two different voltages, namely by Uref and UGo or by Uref and UGu. The reference voltage Uref is always higher as UGu and smaller than UGo. In a preferred variant of the invention the amount of dU1 and the amount dU2 are constant.
In
In
Entsprechend weist auch die Referenzspannung
Uref anfangs den Wert Null Volt auf. Die obere bzw. die untere Grenzspannung
UGo bzw. UGu sind erfindungsgemäß gegeben
durch die Summe aus der Referenzspannung Uref plus dem ersten Spannungsabstand
dU1 bzw. durch die Differenz der Referenzspannung Uref minus einem
zweiten Spannungsabstand (dU2), was bedeutet, daß die Referenzspannung Uref,
die obere Grenzspannung UGo und die untere Grenzspannung UGu stets
zueinander parallelverschoben verlaufen. Die obere bzw. die untere
Grenzspannung UGo bzw. UGu verlaufen daher zunächst jeweils horizontal in
einem Abstand dU1 bzw. dU2 oberhalb bzw. unterhalb der Null-Volt-Linie von
Die Referenzspannung ändert sich
bis zum Zeitpunkt t4 erfindungsgemäß nicht, da die Bedingung erfüllt ist,
daß die
Ausgangsspannung Ua sowohl kleiner oder gleich der oberen Grenzspannung UGo
als auch größer oder
gleich der unteren Grenzspannung UGu ist. Zum Zeitpunkt t4 jedoch überschreitet
die Ausgangsspannung Ua die obere Grenzspannung UGo. Erfindungsgemäß wird nun
die Referenzspannung Uref angehoben. Jeweils hierzu parallelverschoben
steigen auch die obere und die untere Grenzspannung UGo, UGu an.
Die Lage der oben definierten „Arbeitsfenster" wandert dem entsprechend
ab dem Zeitpunkt t4 in
Zum Zeitpunkt t5 erreicht die Ausgangsspannung
Ua in dem Beispiel von
Zum Zeitpunkt t6 hat die obere Grenzspannung
UGo ebenfalls den Plateauwert Uao erreicht, d.h., die Bedingung,
daß die
Ausgangsspannung Ua sowohl kleiner oder gleich der oberen Grenzspannung
UGo als auch größer oder
gleich der unteren Grenzspannung UGu ist, ist erfüllt. Erfindungsgemäß bleiben
nun die Referenzspannung Uref und mit ihr auch die obere und die
untere Grenzspannung UGo, UGu konstant. Die Referenzspannung Uref
und damit der Sensor haben sich erfindungsgemäß selbsttätig justiert. Die obere Grenzspannung
UGo fällt
nun mit der Ausgangsspannung Ua zusammen; in
Gemäß der unter Bezug auf
Eine weitere Variante der Erfindung
wird nun anhand von
Uref wird mit dem Abstand dU1 durch
Ua nachgeführt,
so daß gilt
Ua = Uref + dU1 bzw. Uref = Ua – dU1.
Ua ist ab dem Zeitpunkt t4 (
Die Ausgangsspannung Ua sinke nun
z.B. aufgrund eines fallenden Füllstandes
nach dem Zeitpunkt t6 (
Sinkt Ua nun unter den "fixierten" Wert von Uref (Zeitpunkt
t8 in
Nun sinke die Ausgangsspannung Ua
noch weiter ab und unterschreite zu einem Zeitpunkt t9 die untere
Grenzspannung UGu (
Steigt nun umgekehrt Ua wieder an, z.B. weil der Füllstand wieder ansteigt, bleiben die Referenzspannung Uref und die Lage der „Arbeitsfenster" "fixiert" und ändern sich erst dann wieder, wenn Ua die obere Grenzspannung UGo übersteigt. Dann werden die Referenzspannung und die „Arbeitsfenster" wieder nach oben „mitgezogen", d.h. der Ausgangsspannung Ua nachgeführt. Vorher überschreitet Ua jedoch die noch "fixierte" Referenzspannung Uref, und der Sensor schaltet wieder ein. Der beliebig vorgebbare zweite Spannungsabstand dU2 ist also im vorliegenden Beispiel ein Maß für die Empfindlichkeit, mit welcher der Sensor auf einen ansteigenden Füllstand anspricht.Conversely, if, inter alia, rises again, for example because the level rises again, the reference remains voltage Uref and the position of the "working window""fix" and only change again when Ua exceeds the upper limit voltage UGo. Then the reference voltage and the "working window" are "pulled up" again, ie the output voltage Ua However, Ua exceeds the still "fixed" reference voltage Uref and the sensor switches on again. In the present example, the second voltage spacing dU2, which can be set as desired, is a measure of the sensitivity with which the sensor responds to an increasing fill level.
Selbstverständlich ist in völliger Analogie
zu
Gemäß weiterer Varianten der Erfindung wird mit der Nachführung der Referenzspannung Uref nicht sofort begonnen, sobald die Ausgangsspannung Ua die obere Grenzspannung UGo überschreitet bzw., die untere Grenzspannung UGu unterschreitet. Vielmehr beginnt die Nachführung der Referenzspannung Uref nach oben gemäß einer dieser Varianten erst dann, wenn die Ausgangsspannung Ua für eine bestimmte erste vorgebbare Ansprechzeitdauer T1 größer geblieben ist als die obere Grenzspannung UGo. Gemäß einer anderen dieser Varianten beginnt die Nachführung der Referenzspannung Uref nach unten erst dann, wenn die Ausgangsspannung Ua für eine bestimmte zweite vorgebbare Ansprechzeitdauer T2 kleiner geblieben ist als die untere Grenzspannung UGu. Diese Varianten, die selbstverständlich auch miteinander kombiniert sein können, können z.B. dann vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Selbstjustierung des Sensors nicht durch kurze, z.B. erschütterungsbedingte Störungen der Ausgangsspannung Ua ausgelöst werden soll.According to further variants of the invention with the tracking the reference voltage Uref does not start immediately as soon as the output voltage Ua exceeds the upper limit voltage or, the lower limit voltage UGu falls below. Rather begins the tracking of the reference voltage Uref according to one of these variants then when the output voltage Ua can be predetermined for a specific first Response time T1 remained longer is as the upper limit voltage UGo. According to another of these variants tracking begins the reference voltage Uref down only when the output voltage Ua for a certain second predeterminable response time period T2 has remained smaller is than the lower limit voltage UGu. These variants, of course, too can be combined with each other can e.g. then be advantageous if the self-adjustment according to the invention of the sensor by short, e.g. vibration-related disorders of the Output voltage Ua triggered shall be.
Man kann den anhand von
Um das Drehzentrum
Die Mitnehmerkralle
Der maximale Winkelabstand, um welchen der
Hauptzeiger
Der Schleppzeiger
Nun werde der Hauptzeiger
Dieses mechanische Beispiel ist in
der Erfindung konsequent in die Sensortechnik übertragen. Die Position des
Hauptzeigers
Unter der Konvention, daß eine Bewegung der
Zeiger
In den häufigsten Fällen in der Praxis der Sensortechnik werden die „Arbeitsfenster" nur bei der Montage oder Demontage des Sensors in die bzw. aus der Applikation verschoben. In der Applikation selbst variiert die Ausgangsspannung Ua dann meist nur innerhalb der Fensterbreiten dU1, dU2 um den die Referenzspannung Uref (="Arbeitspunkt"). Dies liegt meist daran, dass die Behälterwand bei einer Füllstandsapplikation einen so hohen Beitrag zur Gesamtkapazität liefert, daß auch ohne Medium die Ausgangsspannung Ua kaum jemals auf 0 Volt absinkt, sondern nur auf einen kleineren Wert als derjenige, der sich bei Vollbedeckung durch das Medium einstellt. Die Maxima und Minima der Ausgangsspannung Ua liegen bei den meisten Applikationen i.d.R. nur innerhalb der Breite des jeweiligen „Arbeitsfensters". Für jede Applikation stellen sich die beiden „Arbeitsfenster" selbsttätig durch die erfindungsgemäße Nachführung der Referenzspannung Uref durch die Ausgangsspannung Ua auf den richtigen Wert ein, der Arbeitspunkt stimmt dann automatisch.In the most common cases in the practice of sensor technology are the "working window" only during assembly or disassembly of the sensor moved into or out of the application. The output voltage Ua then usually varies in the application itself only within the window widths dU1, dU2 around which the reference voltage Uref (= "working point"). This is usually the case remember that the container wall with a fill level application makes such a large contribution to the total capacity that even without Medium the output voltage Ua hardly ever drops to 0 volts, but only to a smaller value than the one who is at full coverage through the medium. The maxima and minima of the output voltage In most applications, for example, only within the Width of the respective "working window". For every application the two "work windows" put themselves through the tracking of the invention Reference voltage Uref to the correct one by the output voltage Ua Value, the operating point is then correct automatically.
Im folgenden werden einige im Praxisbetrieb eines kapazitiven Füllstandssensors ermittelte bzw. vorteilhaft eingestellte Zahlenwerte angegeben:
- 1. Ua = OV bei Sensor in der Luft (Abstand unendlich), Ua = 7V bei Sensor vollbedämpft, maximale Kapazität bzw. Abstand zu einer geerdeten Meattplatte = 0 erster Spannungsabstand: dU1 = 0,3V zweiter Spannungsabstand: dU2 = 1,2V
- 2. Füllstandsapplikation desselben Sensors mit Medium Wasser und Behälter aus Plexiglas mit 6mm Wandstärke: Ua = 6V bei vollbedecktem Sensor, Ua 4,4V bei leerem Behälter Nun wird der Sensor an einen vollen Behälter montiert. Der Arbeitspunkt wird mit Ua auf Uref = 5,7V (d.h. UGu = 4,5V) verschoben. Der Sensor schaltete ein da Ua über Uref liegt. Der Füllstand sank nun langsam ab. Bei etwa hälftiger Bedeckung der aktiven Sensorfläche unterschritt Ua die auf 5,7V "fixierte" Referenzspannung Uref; der Sensor schaltete aus. Bei leerem Gefäß sank Ua nun auf 4,4 V. Die untere Grenzspannung UGu lag um 100mV höher, nämlich bei UGu = 4,5V. Die Arbeitsfenster und Uref wurden also um 100mV nach unten nachgeführt. Uref war also jetzt erfindungsgemäß automatisch auf 5,6V abgesenkt worden. Beim Wiederansteigen des Flüssigkeitsspiegels schaltete der Sensor daher bei etwa 40% Bedeckung wieder ein. Durch die Fensterverschiebung hat sich der Schaltpunkt (Arbeitspunkt) also nur geringfügig verschoben, die Applikation ist voll erfüllt.
- 3. Füllstandsapplikation desselben Sensors mit Medium Kunststoffgranulatperlen in Behälter mit 2mm Wandstärke aus Plexiglas: Ua= 3,8V bei vollem Behälter, Ua = 2,8V bei leerem Behälter. Der Sensor wurde an ein volles Gefäß montiert. Die Referenzspannung wurde mit Ua auf Uref = 3,5V, die untere Grenzspannung auf UGu = 2,3V verschoben, der Sensor schaltete ein da Ua um 0,3V über der erfindungsgemäß automatisch "fixierten" Referenzspannung von 3,5V lag. Der Füllstand sank nun ab. Bei etwa hälftiger Bedeckung der aktiven Sensorfläche unterschritt Ua den Wert 3,5V und der Sensor schaltete daher aus. Bei weiterem Absinken bis zum Leerzustand erreichte Ua den Tiefstwert von 2,8V. Dieser Wert lag somit über der unteren Grenzspannung UGu. Eine Nachführung erfolgte daher nicht. Beim Wiederanstieg des Füllstandes schaltete der Sensor wieder bei Ua = 3,5V und mittiger Bedeckung ein.
- 1. Ua = OV with sensor in the air (distance infinite), Ua = 7V with sensor fully damped, maximum capacitance or distance to a grounded plate = 0 first voltage distance: dU1 = 0.3V second voltage distance: dU2 = 1.2V
- 2. Level application of the same sensor with medium water and plexiglass container with 6mm wall thickness: Ua = 6V with fully covered sensor, Ua 4.4V with empty container Now the sensor is mounted on a full container. The working point is shifted with Ua to Uref = 5.7V (ie UGu = 4.5V). The sensor switched on because Ua is above Uref. The fill level now dropped slowly. When the active sensor surface is covered by about half, Ua falls below the reference voltage Uref "fixed" at 5.7V; the sensor switched off. When the vessel was empty, Ua now dropped to 4.4 V. The lower limit voltage UGu was 100mV higher, namely UGu = 4.5V. The working windows and uref were adjusted downwards by 100mV. According to the invention, Uref was now automatically reduced to 5.6V. When the liquid level rose again, the sensor therefore switched on again at about 40% coverage. Due to the window shift, the switching point (working point) has only shifted slightly, the application is fully fulfilled.
- 3. Level application of the same sensor with medium plastic granulate beads in containers with 2mm wall thickness made of plexiglass: Ua = 3.8V with full container, Ua = 2.8V with empty container. The sensor was mounted on a full vessel. The reference voltage was shifted with Ua to Uref = 3.5V, the lower limit voltage to UGu = 2.3V, the sensor switched on since Ua was 0.3V above the automatically fixed 3.5V reference voltage. The fill level now dropped. If the active sensor area is covered by about half, the value falls below 3.5 V and the sensor therefore switches off. With a further decrease to the empty state, Ua reached the lowest value of 2.8V. This value was therefore above the lower limit voltage UGu. There was therefore no tracking. When the level rose again, the sensor switched on again at Ua = 3.5V and central coverage.
Die
In dem der
Zum Zeitpunkt t15 ist der Behälter leer; Ua erreicht daher den in dieser Applikation minimalen möglichen Wert, nämlich Uamin , welcher aber im vorliegenden Beispiel immer noch größer ist als die untere Grenzspannung UGu, so daß keine Nachführung der Referenzspannung Uref und der Grenzspannungen UGu, UGo erfolgt. Anschließend wird der Behälter im vorliegenden Beispiel wieder aufgefüllt (t15 – tt17). Zum Zeitpunkt t16 erreicht die Ausgangsspannung Ua wieder den Wert, welchen sie zum Zeitpunkt t14 aufwies, nämlich Uref; der Sensor schaltet wieder ein.At time t15 the container is empty; Ua therefore reaches the minimum possible value in this application, namely Ua min , which in the present example, however, is still greater than the lower limit voltage UGu, so that the reference voltage Uref and the limit voltages UGu, UGo are not tracked. The container is then refilled in the present example (t15 - tt17). At time t16, the output voltage Ua again reaches the value it had at time t14, namely Uref; the sensor switches on again.
In dem der
Zum Zeitpunkt t20 beginnt die Befüllung des Behälters. Daher steigen nun der Füllstand des Mediums und somit auch Ua weiter an; Uref und die "Arbeitsfenster" werden "mitgezogen", d.h. erfindungsgemäß nachgeführt. Zum Zeitpunkt t21 ist der Behälter voll; Ua hat den Wert Uamax erreicht und steigt nicht weiter an, Uref sowie die "Arbeitsfenster" sind "fixiert", sie "sitzen nun richtig" und der Sensor hat sich spätestens zu diesem Zeitpunkt dauerhaft selbst eingestellt. Zum Zeitpunkt t21 beginnt eine Leerung des Behälters; Ua beginnt zu fallen. Zum Zeitpunkt t22 unterschreitet Ua den "fixierten" Wert von Uref, der Sensor schaltet korrekt aus (Schaltsignal low).Im Zeitintervall t23 bis t24 ist der Behälter leer, an t24 beginnt eine erneute Befüllung. zum Zeitpunkt t25 – Überschreiten der dauerhaft "fixierten" Referenzspannung Uref – schaltet der weiterhin korrekt justierte Sensor wieder ein (Schaltsignal high).The filling of the container begins at time t20. Therefore, the fill level of the medium and thus Ua continue to increase; Uref and the "work window" are "dragged along", ie tracked according to the invention. At time t21 the container is full; Ua has reached the value Ua max and does not rise any further, Uref and the "work windows" are "fixed", they "now sit correctly" and the sensor has adjusted itself permanently at this point at the latest. At time t21, the container begins to be emptied; Among other things, begins to fall. At time t22, Ua falls below the "fixed" value of Uref, the sensor switches off correctly (switching signal low). The container is empty in the time interval t23 to t24, and refilling begins at t24. at time t25 - if the permanently "fixed" reference voltage Uref is exceeded - the sensor, which is still correctly adjusted, switches on again (switching signal high).
Die Spannungsabstände dU1, dU2 sind vorteilhaft
so gewählt,
daß die
durch die Schwankung der Ausgangsspannung Ua zwischen Uam
in und Uamax der durch dU1 und dU2 gegebene Spielraum
(vgl. mechanische Schleppzeiger-Analogie in
Die Ausgangsspannung Ua kann innerhalb des
Aufnehmers
Die Flußspannungen der Dioden D1, D2 erzeugen die Breiten dU1, dU2 der "Arbeitsfenster" von insgesamt ca. 1,2V bzw. je 0,6V. Erhöht sich die Spannung Ua um mehr als 0,6V über Uref an C, so wird die erste Diode Dl leitend und lädt C auf den Wert Ua – 0,6V = Uref auf. Die Flußspannung der Diode D1 entspricht somit dem Wert des oberen Spannungsabstandes dU1 in o.g. Darstellung. Die "Arbeitsfenster" sind nun eingestellt. Sinkt Ua nun wieder ab, so sperrt die Diode D1, und der Spannungswert Uref wird durch den Ladekondensator C1 gehalten: Uref ist "fixiert".The forward voltages of the diodes D1, D2 generate the widths dU1, dU2 of the "work window" of a total of approximately 1.2V or 0.6V each. Elevated If the voltage Ua increases by more than 0.6V above Uref at C, the first diode Dl conducting and charging C to the value Ua - 0.6V = Uref on. The river tension the diode D1 thus corresponds to the value of the upper voltage gap dU1 in the above Presentation. The "working windows" are now set. If Ua drops again, diode D1 blocks and the voltage value Uref is held by the charging capacitor C1: Uref is "fixed".
Sinkt Ua unter Uref, so schaltet
der Sensor aus (kein Schaltsignal bzw. Low-Signal auf Leitung
Die Breite der "Arbeitsfenster" kann durch Einfügen weiterer Diodenstrecken (Zusatzdioden) in Reihe zu den Dioden D1 bzw. D2 in 0,6V-Schritten variiert werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist ein geringer Schaltungsaufwand. Unter Verwendung eines Komparators in C-Mos oder FET-Technologie werden einige Minuten Haltezeit für Uref erreicht. Die Schaltung eignet sich somit in hervorragender Weise für dynamische Applikationen, in denen eine ständige, periodische Änderung der Meßgröße gesichert ist.The width of the "working window" can be added by inserting further diode sections (Additional diodes) varied in series with the diodes D1 and D2 in 0.6V steps become. The advantage of this embodiment is a low switching effort. Using a comparator in C-Mos or FET technology, a few minutes hold time for Uref is achieved. The circuit is therefore ideal for dynamic Applications in which a constant, periodic change the measured variable secured is.
Ein positiver Spannungpol
Die Ausgangsspannung Ua kann innerhalb des
Aufnehmers
Zwischen den beiden Dioden D3, D4
zweigt eine zweite Leitung L2 ab, welche mit der Leitung L1 und
somit mit dem Ausgang
Zwischen dem Widerstand R3 und der
Diode D3 zweigt eine dritte Leitung L3 ab, welche an den Referenzeingang
Die Flußspannung der Diode vierten D4 bildet den oberen Spannungsabstand dU1, d.h. die Breite des oberen "Arbeitsfensters" (0,6V), und die Flußspannung der dritten Diode D3 bildet den unteren Spannungsabstand dU2, d.h. die Breite des unteren "Arbeitsfensters" (ebenfalls 0,6V). Diese Werte können durch Einfügen von weiteren Diodenstrecken (Zusatzdioden) in Reihe zu den Dioden D3 bzw. D4 erhöht werden.The forward voltage of the fourth diode D4 forms the upper voltage gap dU1, i.e. the width of the upper "working window" (0.6V), and the forward voltage the third diode D3 forms the lower voltage gap dU2, i.e. the width of the lower "working window" (also 0.6V). These values can by inserting from further diode sections (additional diodes) in series with the diodes D3 or D4 increased become.
Der Binärzähler
Der Binärzähler
Die erfindungsgemäße Nachführung der vom Binärzähler
Ein Taktgenerator
Der Schaltsignal-Ausgang
Der logische ODER-Ausgang
Steigt nun die am Widerstand R4 (und
damit über
die Leitung L4 auch am Signaleingang
Die Referenzspannung Uref und die
beiden "Arbeitsfenster" wurden somit nach
oben geschoben und Uref "fixiert". Ua kann sich nun
innerhalb des durch dU1, dU2 aufgespannten Spielraumes bewegen und über den
Komparator
Der dritte Komparator
Sinkt die Ausgangsspannung Ua nun
aber um mehr als 0,6V unter die Referenzspannung Uref, d.h. Ua verläßt den "Spielraum", so unterschreitet
die am Referenzeingang
Ein besonderer Vorteil der Ausführungsform von
Die EDV-Einrichtung
- (a) konstant hält, falls der Ausgangswert Wa sowohl – kleiner oder gleich einem oberen Grenzwert WGo ist, welcher gegeben ist durch die Summe aus dem Referenzwert Wref plus dem ersten Abstandswert dW1, als auch – größer oder gleich einem unteren Grenzwert WGu ist, welcher gegeben ist durch die Differenz des Referenzwertes Wref minus dem zweiten Abstandswert dW2,
- (b) oder anhebt, falls der Ausgangswert Wa größer ist als der obere Grenzwert WGo,
- (c) oder absenkt, falls der Ausgangswert Wa kleiner ist als der untere Grenzwert WGu.
- (a) holds constant if the output value Wa is both - less than or equal to an upper limit value WGo, which is given by the sum of the reference value Wref plus the first distance value dW1, and - greater than or equal to a lower limit value WGu, which is given by the difference of the reference value Wref minus the second distance value dW2,
- (b) or increases if the initial value Wa is greater than the upper limit value WGo,
- (c) or lowered if the output value Wa is less than the lower limit value WGu.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung umfaßt die Nachführschaltung einen Mikroprozessor und einen A/D-Wandler. Die Spannung Ua des Aufnehmers wird hierbei mit dem Analog/Digital-Wandler digitalisiert. Die erfindungsgemäße Nachführung wird im Mikroprozessor z.B. durch Berechnung der Referenzspannung Uref aus Ua – dU1 = Uref und der unteren Grenzspannung UGu nachgebildet. Auch die Verschiebe- und Komparatorfunktion wird vom Mikroprozessor durch Vergleich von Uref und Ua mit Hysterese durchgeführt. Der Mikroprozessor liest in ständigen Zyklen die digitalisierten Werte von Ua ein und liefert direkt das Schaltsignal "Sensor betätigt" (z.B. High-Signal) oder "Sensor unbetätigt" (z.B. Low-Signal).According to a further variant of the Invention includes the tracking circuit a microprocessor and an A / D converter. The voltage Ua des The transducer is digitized using the analog / digital converter. The tracking according to the invention is in the microprocessor e.g. by calculating the reference voltage Uref from Ua - dU1 = Uref and the lower limit voltage UGu simulated. The shifting and comparator function is performed by the microprocessor by comparing Uref and Ua performed with hysteresis. The microprocessor reads in constant Cycles the digitized values of Ua and delivers that directly Switching signal "sensor actuated "(e.g. high signal) or "Sensor not activated" (e.g. low signal).
In dieser Ausführungsform sind alle Freiheitsgrade
gegeben. Die Breiten dU1, dU2 der "Arbeitsfenster" sind beliebig vorgebbar. Ferner wird nicht
zwingend eine lineare Kennlinie des Aufnehmers gemäß
Gewerbliche Anwendbarkeit:Industrial applicability:
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in der kapazitiven Sensorik u.a. für Füllstandsapplikationen flüssiger und fester Medien, automatische Nachjustierung bei anhaftenden Medien, zum Beispiel bei der Abfrage von Leimen und Lacken, bei denen die Schichtdicke an der Behälterwandung mit der Befüllung anwächst, bei der Doppelbogenkontrolle bei Papierabfrage, bei kapazitiven Tastern, Distanzabfragen mit Hintergrundausblendung, Etikettenabfrage, zum Beispiel mit einem Schlitzsensor, und ähnliches mehr.The method according to the invention is suitable in capacitive sensors, among others For level applications liquid and solid media, automatic readjustment for adhering media, for example when querying glues and varnishes where the Layer thickness on the container wall with the filling increases, with double sheet control with paper query, with capacitive Buttons, distance inquiries with background suppression, label inquiry, for example with a slot sensor, and the like.
Leitfigur ist
- 11
- Aufnehmerpickup
- 1A1A
- Ausgang von 1output from 1
- 1B1B
- aktive Sensorflächeactive sensor surface
- 33
- Potentiometerpotentiometer
- 77
- Spannungspolvoltage pole
- 10,10A,10B10,10A, 10B
- NachführschaltungenNachführschaltungen
- 2121
- SchleppzeigerPeak values
- 2222
- Hauptzeigermain pointer
- 2323
- MitnehmerkralleMitnehmerkralle
- 23A, 23B23A, 23B
-
Anschläge von
23 Attacks from23 - 2424
- Drehzentrumturning center
- 31,32,3331,32,33
- erster, zweiter, dritter KomparatorFirst, second, third comparator
- 31A,32A,33A31A, 32A, 33A
-
Signaleingänge von
31,32,33 Signal inputs from31,32,33 - 31B,32B,33B31B, 32B, 33B
-
Referenzeingänge von
31,32,33 Reference inputs from31,32,33 - 31C,32C,33C31C, 32C, 33C
-
Schaltsignal-Ausgänge von
31,32,33 Switching signal outputs from31,32,33 - 4141
- Taktgeneratorclock generator
- 4242
- UND-GatterAND gate
- 42A, 42B, 42C42A, 42B, 42C
-
erster,
zweiter UND-Eingang von
42 , UND-Ausgang von42 first, second AND input of42 , AND output from42 - 4343
- ODER-GatterOR gate
- 43A, 43B, 43C43A, 43B, 43C
-
erster,
zweiter ODER-Eingang von
43 , ODER-Ausgang von43 first, second OR input of43 , OR output from43 - 4444
- Binärzählerbinary counter
- 44A, 44B44A, 44B
-
Zähleingang,
Richtungseingang von
44 Counter input, direction input from44 - 4545
- WiderstandsnetzwerkResistor network
- 5050
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 5151
- EDV-EinrichtungEDP device
- 5252
-
Ausgabeleitung
von
51 Output management from51 - 5454
- SpeicherStorage
- 5555
- Busbus
- Di-D4Di-D4
- Diodendiodes
- L1-L7L1-L7
- erste bis siebte Leitungfirst to seventh line
- Ql-Q6Ql-Q6
-
Ausgänge von
44 Outputs from44 - Ri-R6Ri-R6
- Widerständeresistors
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