DE102005046455A1

DE102005046455A1 - Eingangsschaltung zur kapazitiven Messung von Füllstandshöhen und Erfassung von qualitativen Zuständen bei Flüssigkeiten in metallischen und nicht metallischen Behältern

Info

Publication number: DE102005046455A1
Application number: DE200510046455
Authority: DE
Inventors: Matthias Hoffmeier; Simon Laurenz; David Laurenz; Jusuf Nassa Barends
Original assignee: ROAD DEV GmbH; ROAD DEVELOPMENT GmbH
Current assignee: ROAD DEVELOPMENT GMBH, 75015 BRETTEN, DE
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Verfahren und Schaltung zur kapazitiven Messung von Füllständen bei Flüssigkeiten und/oder qualitativen Beurteilung von Flüssigkeiten in metallischen und nicht metallischen Behältern durch ein quasistatisches Entladeverfahren.

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur kapazitiven Messung von Füllständen bei Flüssigkeiten und/oder qualitativen Beurteilung von Flüssigkeiten in metallischen und nicht metallischen Behältern. Kapazitive Messverfahren haben den Nachteil der Empfindlichkeit bei dynamischen Störungen. Im nachstehend dargestellten Verfahren ist die Empfindlichkeit auf dynamische Störeinflüsse durch entsprechende Beschaltung eingeschränkt. Das Verfahren und die gewählte Schaltungsart zeichnet sich aus durch statisches Verhalten und einfachsten Aufbau nach dem Oberbegriff 1 bis 3.

In kapazitiven Messverfahren zur Füllstandshöhe oder Qualitätsbeurteilung von Flüssigkeiten in metallischen oder nicht metallischen Behältern verändert sich eine Kapazität in Abhängigkeit der Füllstoffhöhe oder der Zusammensetzung und/oder Qualität des Füllstoffes. Entsprechende kapazitive Messaufnehmer sind hinreichend bekannt und in verschiedenster Ausführung zum Patent angemeldet. Bei dem Messprinzip sind verschiedene Verfahren bekannt und geschützt. In Weiterführung der Patentanmeldung No.: 10 2004 053 626.0, in der ein quasistatisches Messverfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung und/oder qualitativen Beurteilung von Flüssigkeiten in metallischen oder nicht metallischen Behältern detailliert beschrieben ist, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil einer einfacheren Schaltungsvariante bei besserer Resistenz gegen dynamische Störeinflüsse. Die Erfassung der zur Beurteilung der Füllhöhe und/oder Qualität zu messenden physikalischen Größen erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine Erfassungseinheit, welche mit einem Mikrocomputer bestückt werden kann. Diese Erfassungseinheit steuert die Eingangsschaltung und wertet deren Signal aus. Die Erfassungseinheit kann ein oder mehrere Eingangsschaltungen steuern und kontrollieren, sodass mit dieser Variante leicht und kostengünstig Systeme mit mehreren kapazitiven Messeinheiten aufgebaut werden können. So bietet sich beispielsweise ein System mit Mess- und Referenzeinheit an, oder mit mehreren Messeinheiten und einer oder mehrer Referenzeinheiten.

Zur Lösung der Aufgabe ist bei entsprechenden Vorrichtungen zur kapazitiven Füllstandsmessung in metallischen und nicht metallischen Behältern die im Anspruch 1 angegebene Schaltung vorgesehen.

Gemäß der Ausführungsform sind bei dem Messverfahren in vorteilhafter Weise die Merkmale nach Anspruch 2 vorgesehen, die entsprechenden Ablauf charakterisieren.

Es zeigen:
1 Schematische Darstellung des Eingangsschaltplans mit der Erfassungseinheit (1), dem Referenz- oder Messkondensator (2) und seiner Abschirmung (3), dem Schalttransistor (4), dem Entladewiderstand (5), dem Spannungsteiler (6), dem Vorwiderstand (7).
2 Darstellung des zeitlichen Ablaufdiagramms mit den vier Unterdiagrammen Ladeimpuls (11), Entladeimpuls (12), Entladezeit (13) und Entladetrigger (14).
3 Schematische Darstellung des Ladevorgangs des Referenz- oder Messkondensators (2) über die Emitter-Collectorstrecke des Schalttransistors (4), hier als geschlossener Schalter dargestellt und über den Vorwiderstand (7). Darstellung der Spannungsaufteilung im Spannungsdiagramm.
4 Schematische Darstellung des Entladevorgangs des Referenz- oder Messkondensators (2) über den Entladewiderstand (5), wenn die Emitter-Collectorstrecke des Schalttransistors (4) hochohmig ist, hier als offener Schalter dargestellt. Darstellung der Entladekurve Als Spannung über der Zeit.
Bei einem kapazitiven Messsystem der eingangs beschriebenen Art sind die kapazitiven Erfassungskomponenten hinreichend erforscht und durch entsprechende Patente und Patentanmeldungen geschützt. Die Erfassungs- bzw. Auswerteelektronik solcher Systeme beruht im Wesentlichen darauf, dass sich mithilfe des durch Füllhöhe oder Qualität des Füllmediums in der Kapazität verstellbaren Kondensators, eine Frequenz oder eine zur Messung einer Grundfrequenz benötigten Torzeit verändert. Diese Veränderungen werden entsprechend ausgewertet und ggf. angezeigt. Sie sind direkt abhängig vom Eingangswert. Bei den meisten Messverfahren werden dynamische Größen, wie Frequenzen oder Puls-Pausen-Verhältnise in Abhängigkeit der Veränderung der Eingangsgrößen verändert. Bei periodischen Messsystemen ist die Abhängigkeit von dynamischen Störgrößen gegeben. Die vorliegende Erfindung realisiert das kapazitive Messverfahren dadurch, dass der Messkondensator (1) einmal geladen wird, und er sich anschließend kontrolliert über den Entladewiderstand (5) entläd. Der Ablauf wird gesteuert und kontrolliert durch die Erfassungseinheit (1), die einen Mikrocomputer oder eine irgendwie anders geartete Intelligenz enthalten kann, die den Ablauf des Verfahrens bestimmt. Die Erfassungseinheit (1) gibt einen Impuls (11) aus einem Ausgang auf die Basis eines Schalttransistors (4), welcher sofort leitend wird, und die Versorgungsspannung (10) über einen Vorwiderstand (7) auf den Referenz- oder Messkondensator (2) schaltet. Der Referenz- oder Messkondensator (2) läd sich auf die Versorgungsspannung (10) minus der Spannungsabfälle (21, 22) am Vorwiderstand (7) und an der Collector-Basisstrecke des Schalttransistors (4) gemäß 3 auf. In 3 ist der Schalttransistor (4) als Schalter dargestellt und der Strom fließt gemäß dem Ladestrom (24) in den Referenz- oder Messkondensator (2). Schaltet die Erfassungseinheit (1) den Impuls ab, so läuft ein Zeitglied in der Erfassungseinheit (1) los, und es sperrt die Emitter-Collector-Strecke des Schalttransistors (4). Der Referenz- oder Messkondensator (2) entläd sich gemäß 4 über den Entladewiderstand (5). Der strom fließt gemäß dem Entladestrom (25). Die Entladespannung wird über den Spannungsteiler (6) von dem Analog/Digital-Wandler der Erfassungseinheit gelesen, und bei einer vordefinierten Schaltschwelle wird das Zeitglied in der Erfassungseinheit (1) gestoppt. Die in 4 dargestellte Entladekurve der Spannung über der Zeit variiert auf der Zeitachse, je nach Ladezustand, sprich je nach Kapazität des referenz- oder Messkondensators (2). In 4 ist der Schalttransistor (4) als Schalter dargestellt. Der Lade-Entladevorgang kann von der Erfassungseinheit (1) nach Belieben wiederholt werden, um mehrere Werte zur statistischen Weiterverarbeitung zu erhalten. Zur Erhöhung der Störresistenz wird der Referenz- oder Messkondensator (2) mit einem Masserohr (3) aus leitendem Material ummantelt, und die Versorgungsspannung so hoch, wie möglich angelegt, vorteilhafterweise auf über 15 V DC. Damit ist ein Spannungshub am Referenz- oder Messkondensator von min. 8,5 Volt sicher gestellt.

1: Erfassungseinheit mit Mikrocomputer
2: Mess- oder Referenzkondensator
3: Abschirmung des Mess- oder Referenzkondensators
4: Schalttransistor
5: Entladewiderstand
6: Spannungsteiler
7: Vorwiderstand
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10: Versorgungsspannung der Messelektronik
11: Ladeimpulsdarstellung im Diagramm
12: Entladeimpulsdarstellung im Diagramm
13: Entladezeit
14: Entladetrigger
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21: Spannungsmesspunkt am Messkondensator
22: Spannungsmesspunkt am Emitter des Schalttransistors
23
24: Ladestrom des Messkondensators
25: Entladestrom des Messkondensators

Claims

Schaltungsprinzip zur kapazitiven Messung von Füllstandshöhe oder Qualität von Flüssigkeiten in metallischen oder nicht metallischen Behältern gemäß 1 mit einem Schalttransistor (4), dem Referenz- oder Messkondensator (2) und dem Entladewiderstand (5). Das System wir gesteuert von einer Erfassungseinheit (1), welche zum Zwecke der Ablaufsteuerung, der Messzeiterfassung und der Weiterverarbeitung der Informationen vorteilhafterweise mit einem Mikrocomputer oder gleichwertigen intelligenten Systemen ausgestattet ist.
Verfahrensablauf gemäß der Beschreibung. Messprozessstart durch einen Impuls aus dem Ausgang der Erfassungseinheit (1) auf den Ladetransistor (4), um den Referenz- oder Ladekondensator über den Vorwiderstand (7) mit der Ladespannung aus der Versorgungsspannung (10) zu laden, gemäß 3. Mit Abschalten des Impulses aus dem Ausgang der Erfassungseinheit (1) wird der Ladetransistor (4) hochohmig, und der Timer in der Erfassungseinheit (1) läuft los, um die Zeit bis zur definierten Entladeschwelle des Referenz- oder Messkondensators zu erfassen. Der Referenz- oder Messkondensator entläd sich über den Entladewiderstand (5) gemäß 3.