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Die Erfindung betrifft eine Admittanzmeßvorrichtung für einen Füllstandsensor mit wenigstens einer elektrischen Wechselsignalquelle, einem als Synchrongleichrichter betriebenen Diodenring mit wenigstens vier seriell und gleichsinnig hintereinander geschalteten Dioden, einem Meßfühler und einer Auswerteeinheit, wobei der Diodenring mittels der Wechselsignalquelle über einen ersten Einspeisepunkt und einen zweiten Einspeisepunkt mit einem Wechselsignal beaufschlagbar ist, der erste Einspeisepunkt und der zweite Einspeisepunkt über jeweils zwei seriell geschaltete Dioden des Diodenrings verbunden sind, der Meßfühler mit dem ersten Einspeisepunkt verbunden ist und die Auswerteeinheit mit einem ersten Meßpunkt des Diodenrings und/oder mit einem zweiten Meßpunkt des Diodenrings verbunden ist, wobei der erste Meßpunkt und der zweite Meßpunkt jeweils über eine Diode des Diodenrings mit dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt verbunden sind.
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Admittanzmeßvorrichtungen für Füllstandsensoren sind seit vielen Jahren bekannt, wobei das Meßprinzip darauf beruht, das der veränderlichen Füllstand eines bestimmten Mediums in einem zu überwachenden Volumen den eingesetzten Meßfühler beeinflußt, genauer, die durch den Meßfühler detektierbare Admittanz verändert. Meist ist der Meßfühler elektrisch in das zu überwachende Volumen geöffnet, weist also beispielsweise bei Realisierung eines kapazitiven Meßprinzips eine aktive, angesteuerte Elektrode auf, wobei sich ein elektrisches Streufeld von der aktiven Elektrode des Meßfühlers in die Umgebung erstreckt. Die Kapazität des von der aktiven Elektrode des Meßfühlers und der veränderlichen Umgebung gebildeten Kondensators ist dann abhängig von dem zu erfassenden Füllstand des Mediums, genauso wie von den elektrischen Materialeigenschaften des Mediums (z. B. Dielektrizitätskonstante).
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Wenn der Meßfühler von der Wechselsignalquelle mit einem Wechselsignal beaufschlagt wird, beispielsweise mit einer Wechselspannung, so ist ohne weiteres verständlich, daß der Meßstrom – im Falle des kapazitiven Meßfühlers also der Lade- und Endladestrom der Meßkapazität – in Abhängigkeit von der veränderlichen, nämlich von dem Füllstand des Mediums abhängigen Admittanz des Meßfühlers abhängt. Durch Messung des sich einstellenden Stroms kann auf die Admittanz des Meßfühlers geschlossen werden und damit wiederum auf den Füllstand oder eine Füllstandsänderung.
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Aus der
DE 43 22 867 A1 ist eine Admittanzmeßvorrichtung bekannt, die nicht im Zusammenhang mit einem Füllstandsensor verwendet wird, sondern zur berührungslosen Erfassung von Zahnrädern eines Zahnrades dient, um dessen Stellung und Rotation zu ermitteln. Der Meßfühler besteht hier aus einer aktiv von der Wechselsignalquelle mit einem Wechselsignal beaufschlagten Elektrode eines Kondensators, wobei die Gegenelektrode durch die Zahnräder des Zahnrades gegeben ist. Der so gebildete Meßfühler ist mit einem als Spitzenwertgleichrichter betriebenen Diodenring verbunden, indem die Wechselsignalquelle neben dem Meßfühler gleichzeitig einen ersten Einspeisepunkt und einen zweiten Einspeisepunkt des Diodenrings, mit einem Wechselsignal beaufschlagt. An einem Meßpunkt des Diodenrings wird dann ein auf die Ladung und Entladung der Kondensatoren zurückgehender Lade- bzw. Entladestrom abgegriffen, wobei die Modulationsfrequenz eines durch die Auswerteeinheit bereitgestellten Ausgangssignals als Maß für die Umdrehungszahl des Zahnrades dient. Die Anordnung ist deshalb vorteilhaft, weil sich aufgrund der Symmetrie des als Spitzenwertgleichrichter betriebenen Diodenrings die Wirkungen des Temperaturdrifts der Diodendurchlaßspannungen gegenseitig aufheben. Diese Meßschaltung ist zur Erfassung einer schnell veränderlichen Admittanz des Meßfühlers geeignet, jedoch nicht zur Erfassung einer nur langsamen veränderlichen Admittanz des Meßfühlers, wie dies bei vielen Füllstandmeßaufgaben der Fall ist. Bei Füllstandmeßaufgaben wird daher – wie eingangs beschrieben – die Amplitude eines Meßsignals ausgewertet und nicht dessen – von der Veränderung des Meßobjekts abhängigen – Frequenz.
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Die
DE 1 609 015 A1 offenbart eine gesteuerte Vorrichtung zum Speichern und Abführen von Abwässern mit einem Behälter zum Aufnehmen der Abwässer, der mit einem Abwassereinlass und einem Abwasserauslass versehen ist, eine zu bestimmten Zeitpunkten betätigbare Einrichtung zum Abführen des Abwassers aus dem Behälter durch den Abwasserauslass und eine Steuerschaltung zum zeitweisen betätigen der das Abführen des Abwassers bewirkenden Einrichtung in Abhängigkeit von dem Abwasserpegel innerhalb des Behälters.
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Die
JP 080 620 23 A1 offenbart ein kontinuierlich arbeitendes Füllstandsmessgerät, welches auf der Messung einer Admittanz beruht. Aus den
3 und
7 der JP 080 620 23 A1 ist ersichtlich, dass zur Gleichrichtung ebenfalls ein Graetz-Brückengleichrichter vorgesehen ist, der darüber hinaus einen Glättungskondensator und einen Entladewiderstand aufweist.
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Die
DE 29 27 093 A1 offenbart einen Universal-Resonanz-Materialstandsanzeiger für alle Arten von Materialien, mit einer Sonde und einem Elektronikteil, die durch ein Verbindungskabel miteinander verbunden sind, wobei der Sonden-Fühlabschnitt aus einem zu einer archimedischen Spirale gewickelten Draht besteht, der abgedichtet in eine starre Kunstharzkappe eingebettet ist. Aus der
3 DE 29 27 093 A1 ist ersichtlich, dass der verwendete Gleichrichter bestehend aus den Bauteilen
28 bis
31 einen Zwei-Weg-Spitzenwert-Gleichrichter darstellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile bei den bekannten Admittanzmeßvorrichtungen der hier in Rede stehenden Art – zumindest teilweise – zu vermeiden und insbesondere Admittanzmeßvorrichtungen anzugeben, die auch für den Einsatz mit Füllstandsensoren geeignet sind.
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Die erfindungsgemäße Admittanzmeßvorrichtung für einen Füllstandsensor, bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler als Resonator ausgestaltet ist. Auch in diesem Fall ist der Meßfühler von außen elektrisch beeinflußbar, ist nämlich der Resonator durch das Füllgut verstimmbar.
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Im Gegensatz zu den bekannten Admittanzmeßvorrichtungen besteht die erfindungsgemäße Admittanzvorrichtung bzw. der Meßfühler der erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung nicht einfach aus einer Anordnung, deren Kapazität oder Induktivität sich durch Wechselwirkungen mit der zu erfassenden Umgebung ändert, sondern der Meßfühler ist selbst ein schwingfähiges Meßsystem mit den entsprechenden Besonderheiten elektrisch schwingfähiger Systeme, beispielsweise der Amplitudenüberhöhung beteiligter Signale im Resonanzbereich des Resonators.
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Der Amplitudengang eines einfachen Resonators – also beispielsweise eines einfachen elektrischen Schwingkreises, der das Übertragungsverhalten eines Systems zweiter Ordnung aufweist – zeigt im Bereich der Resonanzfrequenz eine Spannungs- bzw. Stromüberhöhung, wobei diese Spannungs- bzw. Stromüberhöhung mit zunehmendem Frequenzabstand von der Resonanzfrequenz rapide abnimmt; der Amplitudengang zeigt eine typische Glockenform.
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Wird der als Resonator ausgebildete Meßfühler durch einen sich ändernden Füllstand oder durch Mediumanhaftungen an dem Meßfühler beeinflußt, so ändert sich zwangsläufig auch die Resonanzfrequenz des Resonators. Die Änderung der Resonanzfrequenz hat wiederum bei unveränderter Beaufschlagung des Meßfühlers mit dem Wechselsignal eine Änderung der Amplitude des Stromes zur Folge – der Resonator ist verstimmt –, der von dem Diodenring über den ersten Einspeisepunkt des Diodenrings in den Resonator hineinfließt bzw. aus dem Resonator in den Diodenring hineinfließt. Der als Synchrongleichrichter betriebene Diodenring, der einerseits über den ersten Einspeisepunkt mit der elektrischen Wechselsignalquelle verbunden ist und andererseits über den ersten Einspeisepunkt mit dem Resonator verbunden ist, bewirkt zweierlei: Zum einen wird bewirkt, daß die eine ”negative” Halbwelle des Wechselsignals den ersten der beiden zwischen dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt liegenden Diodenpfade leitend schaltet. Zum anderen wird bewirkt, daß die andere ”positive” Halbwelle den zweiten zwischen dem ersten Einspeisepunkt und dem zweiten Einspeisepunkt liegenden Diodenpfad des Diodenrings leitend schaltet. Insgesamt bedeutet dies, daß der Resonatorstrom in dem einen Fall über den ersten Meßpunkt zwischen den beiden Dioden im ersten Diodenpfad des Diodenrings abnehmbar ist, und im anderen Fall über den zweiten Meßpunkt zwischen den beiden Dioden des zweiten Diodenpfads des Diodenrings abnehmbar ist. Die über die beiden Diodenpfade fließenden Resonatorströme sind bei symmetrischem Aufbau des Diodenrings gleich und können separat oder zusammen durch die Auswerteeinheit ausgewertet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Resonator abstimmbar ausgestaltet, so daß die Resonanzfrequenz des Resonators einstellbar ist, nämlich insbesondere so eingestellt werden kann, daß eine Resonanz in einem interessierenden Beeinflussungszustand des Meßfühlers vorliegt. Besonders dann ist gewährleistet, daß schon geringe Unterschiede im Beeinflussungszustand des Meßfühlers durch eine Veränderung des Resonatorstromes detektiert werden können.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz des von den Wechselsignalquelle erzeugten Wechselsignals der Resonanzfrequenz des Resonators entspricht, der Resonator also mit seiner – zu einem bestimmten Beeinflussungszustand gehörenden – Resonanzfrequenz angeregt wird, was zu maximalen Meßsignalen führt. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung kann nur über die Amplitude des Resonatorstroms eine Veränderung der Resonanzfrequenz des veränderlich beeinflußten Resonators festgestellt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der als Resonator ausgestaltete Meßfühler bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, wobei bevorzugt ein Frequenzbereich durchfahren wird, der sowohl die Resonanzfrequenz im unbedämpften, unverstimmten Zustand als auch die Resonanzfrequenzen im bedämpften, verstimmten Zustand des Resonators umfaßt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wechselsignalquelle so ausgestaltet, daß die Frequenz der Wechselsignale der Wechselsignalquelle – vorzugsweise in einem gewünschten Bereich – vorgebbar ist, das Wechselsignal insbesondere einen Frequenzbereich durchlaufen kann. In dieser Ausgestaltung wird die Wechselsignalquelle gleichsam als Wobbel-Generator betrieben. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, den Amplitudengang des über den ersten Meßpunkt und/oder den zweiten Meßpunkt erfaßbaren Resonatorstroms aufzunehmen und die Kenngrößen des Amplitudengangs durch die Auswerteeinheit zu bestimmen. Ergebnis dieser Auswertung ist die Kenntnis verschiedener Parameter des Resonators. Elementare Kenngrößen sind beispielsweise die aktuelle Resonanzfrequenz des Resonators und seine Güte, wobei eine hohe Güte des Resonators zu einer hohen Flankensteilheit des Amplitudengangs im Bereich der Resonanzfrequenz führt und eine geringe Güte zu einem sehr breiten Amplitudengang des Resonatorstroms mit geringer Flankensteilheit im Bereich der Resonanzfrequenz führt.
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Diese Kenntnisse über den Resonator gestatten eine weitreichende Interpretation des Beeinflussungszustandes des als Resonator ausgebildeten Meßfühlers. So hat sich beispielsweise herausgestellt, daß eine Mediumanhaftung an dem Meßfühler zu einer sehr geringen Güte des Resonators führt (geringe Stromamplitude bei Resonanzfrequenz und breiter Amplitudengang), wohingegen eine großvolumige Umgebung des Meßfühlers mit demselben Medium zu einem Resonanzverhalten mit hoher Güte (hohe Amplitude des Resonatorstroms und hohe Flankensteilheit) führt. Die ermittelte Resonanzfrequenz selbst eröffnet die Möglichkeit, das beeinflussende Medium zu erkennen, bzw. verschiedene Medien voneinander zu unterscheiden, z. B. ein Wasservolumen von einem Ketchup-Volumen von einem Luft-Volumen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer Resonator, nämlich einen Referenzresonator, mit dem ersten Einspeisepunkt verbunden. Um als Referenz wirken zu können, ist der Referenzresonator von außen im wesentlichen nicht elektrisch beeinflußbar, insbesondere nicht durch das Medium, das den als Resonator ausgestalteten Meßfühler zu beeinflussen vermag. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des Referenzresonators so gewählt, daß Sie von der Resonanzfrequenz des als Resonator ausgestalteten Meßfühlers abweicht, vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Referenzkondensators kleiner ist als die des Resonators. Diese Verstimmung beider Resonatoren ist beabsichtigt, um die Resonatoren insbesondere anhand ihrer Beiträge zu einem gemeinsamen Frequenzgang/Amplitudengang voneinander unterscheiden zu können.
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Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des Referenzresonators so gewählt, daß sie außerhalb des durch verschiedene Beeinflussungszustände des Meßfühlers erreichbaren Bereichs von Resonanzfrequenzen des Resonators liegt. Dadurch wird sicher vermieden, daß die Resonanzfrequenz des Resonators mit der Resonanzfrequenz des Referenzresonators verwechselbar ist. Wenn vorzugsweise der Referenzresonator im wesentlichen gleiche Bauelemente aufweist wie der als Resonator ausgestaltete Meßfühler, dann stellt der Referenzresonator gleichsam ein paralleles Modell des Resonators dar, an dem Veränderungen beobachtbar sind, die nicht durch eine externe Beeinflussung des Meßfühlers hervorgerufen worden sein können.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung ist der Referenzresonator mit dem zweiten Einspeisepunkt des Diodenrings verbunden, wobei in diesem Fall der Beitrag des Referenzresonators zum Amplitudengang des Gesamtresonatorstroms eine in entgegengesetzte Richtung weisende Amplitudenüberhöhung ist. Der Referenzresonator am zweiten Einspeisepunkt des Diodenrings bzw. das durch diesen Referenzresonator hervorgerufene Stromsignal kann für die Auswerteeinheit als Referenz zum Herausrechnen des Drifts der Dioden, der Wechselsignalquelle, der eingesetzten Spulen usw. herangezogen werden. Auch hier ist es sinnvoll, die Resonanzfrequenz des als Resonator ausgestalteten Meßfühlers und die Resonanzfrequenz des Referenzresonators unterschiedlich zu wählen, um ihre Beiträge im Amplitudengang unabhängig voneinander erkennbar zu lassen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit als Strommeßschaltung ausgestaltet, wobei die Auswerteschaltung insbesondere die Maximalströme auswertet bzw. den Frequenzgang der Maximalströme auswertet, wie dies zuvor ganz allgemein erläutert worden ist. Dazu ist es vorteilhaft, wenn der erste Meßpunkt des Diodenrings über einen ersten Kondensator und/oder der zweite Meßpunkt des Diodenrings über einen zweiten Kondensator mit Masse verbunden ist, die über die Meßpunkte entnommenen Ströme führen also aufgrund des niederohmigen Eingangs der Strommeßschaltung zu einer Kondensatorspannung von nahezu 0 V.
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Bei einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Admittanzmeßvorrichtung ist der Resonator als λ/4-Resonator ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, daß an dem ersten Einspeisepunkt des Diodenrings, mit dem der Resonator verbunden ist, ein Strommaximum vorliegt und daß an dem anderen, dem ersten Einspeisepunkt abgewandten Ende des Resonators ein Spannungsmaximum vorliegt, was beispielsweise dann vorteilhaft ist, wenn ein elektrisches Feld über eine aktive Kondensatorelektrode in den Außenraum des Meßfühlers ausgestrahlt wird.
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Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Admittanzmeßvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematisch Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung,
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2 eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Admittanzmeßvorrichtung mit detaillierterer Darstellung des Resonators und der Wechselsignalquelle,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung mit Referenzresonator,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Admittanzmeßvorrichtung mit detaillierter dargestellter Auswerteeinheit,
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6a, 6b eine Darstellungen des Amplitudengangs des Resonatorstroms bzw. der Resonatorspannung bei einem mit dem ersten Einspeisepunkt verbundenen Referenzresonator (6a) und bei einem mit dem zweiten Einspeisepunkt verbundenen Referenzresonator (6b),
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7 die Darstellung eines Ausführungsbeispiels des als Resonator ausgestalteten Meßfühlers mit parallel geschaltetem Referenzresonator,
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8 die Darstellung erfaßter Amplitudengänge verschiedener Medien und
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9 eine konkrete Ausgestaltung des Meßfühlers.
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In den 1 bis 5 ist insgesamt jeweils immer dargestellt eine Admittanzmeßvorrichtung 1 mit einer elektrischen Wechselsignalquelle 2, einem als Synchrongleichrichter betriebenen Diodenring mit vier seriell und gleichsinnig hintereinander geschalteten Dioden 3, 4, 5, 6, einem Meßfühler 7 und einer Auswerteeinheit 8. Mit einem aus vier seriell und gleichsinnig hintereinander geschalteten Dioden 3, 4, 5, 6 bestehenden Diodenring ist eine geschlossene serielle Anordnung der Dioden 3, 4, 5, 6 gemeint, bei der die Kathode der ersten Diode 3 mit der Anode der zweiten Diode 4, die Kathode der zweiten Diode 4 mit der Anode der dritten Diode 5, die Kathode der dritten Diode 5 mit der Anode der vierten Diode 6 und schließlich die Kathode der vierten Diode 6 mit der Anode der ersten Diode 3 leitend miteinander verbunden sind.
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Der Diodenring ist mittels der Wechselsignalquelle 2 über einen ersten Einspeisepunkt 9 und einen zweiten Einspeisepunkt 10 mit einem Wechselsignal beaufschlagbar, wobei das Wechselsignal im vorliegenden Fall immer eine Rechtecksignalfolge ist. Der erste Einspeisepunkt 10 liegt auf der Verbindung zwischen der Anode der ersten Diode 3 und der Kathode der vierten Diode 6, und der zweite Einspeisepunkt liegt auf der Verbindung zwischen der Kathode der zweiten Diode 4 und der Anode der dritten Diode 5.
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Der erste Einspeisepunkt 9 und der zweite Einspeisepunkt 10 teilen den Diodenring daher in zwei Stromführungspfade oder Diodenpfade, wobei der erste Diodenpfad eine Stromführung über die erste Diode 3 und die zweite Diode 4 und der zweite Diodenpfad eine Stromführung über die dritte Diode 5 und die vierte Diode 6 zuläßt. Im Ergebnis sind jedenfalls der erste Einspeisepunkt 9 und der zweite Einspeisepunkt 10 über jeweils zwei seriell geschaltete Dioden des Diodenrings beabstandet. Je nach Polarität der von der Wechselsignalquelle 2 generierten und in den ersten Einspeisepunkt 9 und den zweiten Einspeisepunkt 10 aufgegebenen Spannung wird entweder der erste Pfad des Diodenrings oder der zweite Pfad des Diodenrings leitend geschaltet.
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Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der Meßfühler 7 mit dem ersten Einspeisepunkt 9 des Diodenrings verbunden ist und die Auswerteeinheit 8 wenigstens mit einem ersten Meßpunkt 11 des Diodenrings und – je nach Ausführungsbeispiel – auch mit einem zweiten Meßpunkt 12 des Diodenrings verbunden ist. Der erste Meßpunkt 11 und der zweite Meßpunkt 12 sind jeweils über eine Diode des Diodenrings von dem ersten Einspeisepunkt 9 und dem zweiten Einspeisepunkt 10 beabstandet. Der erste Meßpunkt 11 liegt auf der Verbindung zwischen der Kathode der ersten Diode 3 und der Anode der zweiten Diode 4 und der zweite Meßpunkt 12 liegt auf der Verbindung zwischen der Kathode der dritten Diode 5 und der Anode der vierten Diode 6. Die in den 1 bis 5 dargestellten Admittanzmeßvorrichtungen 1 zeichnen sich nun dadurch aus, daß der Meßfühler 7 als Resonator ausgestaltet ist, wobei in den vorliegenden Fällen der Resonator abstimmbar ist.
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Wie einleitend erläutert worden ist, wird der Resonator durch die Wechselsignalquelle 2 mit einem Wechselsignal beaufschlagt und zu einer Schwingung angeregt, wobei der in dem Resonator fließende, zeitlich veränderliche, schwingende Strom auch über den ersten Pfad des Diodenrings oder den zweiten Pfad des Diodenrings wahrnehmbar ist, wobei die Polarität des Wechselsignals darüber entscheidet, welcher der beiden Pfade des Diodenrings leitend geschaltet ist. Über den ersten Meßpunkt 11 und/oder den zweiten Meßpunkt 12 kann der Resonatorstrom detektiert und der Auswerteeinheit 8 zugeführt werden. In 1 ist dargestellt, daß die Auswerteeinheit 8 lediglich mit dem ersten Meßpunkt 11 des Diodenrings verbunden ist, wohingegen in den anderen Ausführungsbeispielen in den weiteren Figuren eine Verbindung der Auswerteeinheit 8 mit beiden Meßpunkten 11, 12 realisiert ist.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen weist der als Resonator ausgestaltete Meßfühler 7 eine aktiv angesteuerte Elektrode eines Kondensators auf wobei die andere ”Elektrode” des Kondensators durch die Umgebung des Meßfühlers 7 gebildet ist. Die Umgebung ist als solche in den Figuren nicht dargestellt, vielmehr ist die aus der aktiven Elektrode des Meßfühlers 7 und der Umgebung gebildete kapazitätsbehaftete Anordnung stets mit dem Schaltzeichen eines Kondensators dargestellt. Die aktiv angesteuerte Elektrode innerhalb des Meßfühlers 7 strahlt ein elektrisches Wechselfeld in die Umgebung ab, wobei der Kapazitätswert des so gebildeten Kondensators auch von der Umgebung abhängt. Wenn die Umgebung beispielsweise aus einem befüllbaren Tank besteht, hängt die Kapazität des Meßkondensators von dem Befüllungszustand des Tanks ab und auch von der Dielektrizität des Mediums, mit dem der Tank befüllt ist. Über die Veränderung des Kapazitätswertes des durch die Elektrode des Meßfühlers 7 und die Umgebung gebildeten Meßkondensators wird die Resonanzfrequenz des Resonators verändert, was sich wiederum in einer Veränderung des Resonatorstroms bemerkbar macht. Dieses Stromsignal wird über die Auswerteeinheit 8 ausgewertet.
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In 1 ist die Admittanzmeßvorrichtung 1 als ein Füllstandsschalter ausgestaltet und kann ein Schaltsignal über einen Anschluß 14 ausgeben, das beispielsweise eine nicht dargestellte Schaltvorrichtung betätigt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht die Frequenz des von der Wechselsignalquelle 2 erzeugten Wechselsignals der Resonanzfrequenz des Resonators, so daß der Resonator – jedenfalls in einem bestimmten Beeinflussungszustand – in Resonanz schwingt. Ändert sich der Beeinflussungszustand des Meßfühlers 7 und damit des Resonators, so ändert sich auch seine Resonanzfrequenz und der Resonator wird – eine unveränderte Frequenz des Wechselsignals vorausgesetzt – nicht mehr mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, was sich in einer abnehmenden Amplitude des Resonatorstroms ausdrückt. In diesem Fall wertet die Auswerteeinheit 8 lediglich die Amplitude des Resonatorstroms bei einer festen Anregungsfrequenz aus und erkennt beispielsweise Abweichungen von einem zuvor eingestellten Wert des Resonatorstroms.
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In den in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wechselsignalquelle 2 so ausgestaltet, daß die Frequenz der Wechselsignale der Wechselsignalquelle 2 vorgebbar ist, in den vorliegenden Fällen das erzeugte Wechselsignal einen Frequenzbereich durchlaufen kann. Dies gestattet es, daß der Strom des Resonators nicht nur bei der Anregung mit einer einzigen Frequenz bestimmt werden kann, sondern sogar der Frequenzgang/Amplitudengang des Resonatorstroms mit der Auswerteeinheit 8 erfaßt werden kann. Diese Art der Auswertung ermöglicht eine sehr aussagekräftige Erfassung der Frequenzabhängigkeit der Admittanz des Resonators und damit des Beeinflussungszustandes des Meßfühlers 7.
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Allen in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Auswerteeinheit 8 als Strommeßschaltung ausgestaltet ist und die Auswerteschaltung insbesondere die Maximalströme auswertet – also die Maximalströme des Resonatorstroms – bzw. den Frequenzgang dieser Maximalströme auswertet, wobei jeweils der erste Meßpunkt 11 des Diodenrings über einen ersten Kondensator 14 mit der Masse der Schaltung verbunden ist. Der entweder über den ersten Pfad des Diodenrings oder über den zweiten Pfad des Diodenrings fließenden Resonatorstrom lädt folglich den ersten Kondensator 14 in Abhängigkeit von der Größe der Resonatorströme. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 5 ist der zweite Meßpunkt 12 des Diodenrings über einen zweiten Kondensator 15 mit Masse verbunden, der über den zweiten Pfad des Diodenrings fließende Resonatorstrom lädt folglich den zweiten Kondensator 15 in Abhängigkeit von der Größe der Resonatorströme. Bei einer niederohmigen Stromauswertung der Resonatorstrome geht die Spannung an den Kondensatoren 14, 15 jedoch gegen 0 V.
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In den 4 und 5 ist dargestellt, daß die Admittanzmeßvorrichtung 1 einen Referenzresonator 13 aufweist, der mit dem ersten Einspeisepunkt 9 des Diodenrings verbunden ist. Dieser Referenzresonator 13 beeinflußt ebenso wie der als Resonator ausgebildete Meßfühler 7 den Amplitudengang der erfaßten Resonatorströme, wobei der Referenzresonator 13 bei seiner Referenzresonanzfrequenz ebenfalls eine Stromüberhöhung zeigt.
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In 6a ist der Amplitudengang der gesamten Resonatorströme, also des als Resonator ausgestalteten Meßfühlers wie auch des Referenzresonators, dargestellt. Die Glockenkurve 16 geht dabei auf den Referenzresonator 13 zurück und die Glockenkurve 17 geht auf den als Resonator ausgestalteten Meßfühler 7 zurück. Die Resonanzfrequenz des Referenzresonators 13 ist so gewählt, daß sie nicht in dem zu erwartenden Frequenzbereich der Resonanzfrequenz des Meßfühlers 7 liegt, wobei die Resonanzfrequenzen des als Resonator ausgebildeten Meßfühlers 7 von dem Beeinflussungszustand des Meßfühlers abhängig sind.
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Durch den Referenzresonator 13, der in den vorliegenden Fällen im wesentlichen nicht von außen beeinflußbar ist, ist es beispielsweise möglich, Veränderungen des Verhaltens der Admittanzmeßvorrichtung 1 zu erkennen, die nicht durch externe Beeinflussung der Admittanzmeßvorrichtung 1 bzw. des Meßfühlers 7 hervorgerufen worden sein können. Die von dem Referenzresonator 13 hervorgerufene Glockenkurve 16 dient deshalb als Normal zur Bewertung der anderen erfaßten Glockenkurven 17 des von der Auswerteeinheit 8 ermittelten Amplitudengangs.
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Bei anderen – hier nicht dargestellten – Ausführungsbeispielen ist der Referenresonator mit dem zweiten Einspeisepunkt des Diodenrings verbunden, was grundsätzlich zu dem in 6b dargestellten Amplitudengang führt. Der am zweiten Einspeisepunkt vorgesehene Referenzresonator verursacht die nach unten weisende, in negative Resonatorströme ragende Glockenkurve 16 und der als Resonator ausgestaltete Meßfühler verursacht die nach oben weisende Glockenkurve 17. Diese Ausgestaltung birgt jedoch den Nachteil, daß bei einer Wandlung der Stromsignale oder daraus abgeleiteter Spannungssignale ein deutlich größerer Wertebereich abgedeckt werden muß, was zu Lasten der erzielbaren Genauigkeit geht, wenn immer ein Analog/Digital-Wandler mit der gleichen Bitauflösung gewählt wird.
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In 8 ist schließlich der Amplitudengang des Gesamt-Resonatorstroms für verschiedene Beeinflussungszustände des als Resonator ausgestalteten Meßfühlers 7 dargestellt. Die Amplitudengänge 17a, 17b und 17c resultieren aus verschiedenen Beeinflussungszuständen ein und desselben Meßfühlers 7. In den dargestellten Beispielen ist das zu erfassende Volumen – wie z. B. ein Tank vollständig – also großvolumig – mit Luft (Kurve 17c), mit Wasser (Kurve 17b) und einem stark haftfähigen Medium – hier Ketchup – (Kurve 17a) gefüllt. Es ist gut zu erkennen, daß die in den Amplitudengängen 17a, 17b, 17c zum Ausdruck kommende Güte des Resonators bei einer großvolumigen Umgebung des Meßfühlers 7 nicht schlechter wird, vielmehr nahezu erhaltene bleibt.
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In der Füllstandsmeßtechnik stellen kleinvolumige Anhaftungen an Meßfühlern 7 ein erhebliches Problem dar, da der Meßfühler 7 weiterhin massiv von den anhaftenden Mediumrückständen beeinflußt wird, der Füllstand aber tatsächlich nicht mehr mit dem erhaltenen Signal korreliert. In 8 zeigt der Amplitudengang 18 das Verhalten des Resonators bei einer starken Mediumanhaftung, hier bei einer massiven Anhaftung von Ketchup an dem Meßfühler 7. Es ist zu erkennen, daß Mediumanhaftungen zu einer massiven Verschlechterung der Güte des Resonators führen, was an der verringerten Maximalamplitude des Amplitudengangs und an der nur geringen Steilheit der Stromüberhöhung im Resonanzbereich erkennbar ist Im Ergebnis ist festzustellen, daß mit dem als Resonator ausgestalteten Meßfühler 7 eine sehr gute Unterscheidung der Art der Beeinflussung und des beeinflussenden Mediums möglich ist.
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In den 3, 4 und 5 ist jeweils dargestellt, daß die Auswerteeinheit 8 mit dem ersten Meßpunkt 11 und mit dem zweiten Meßpunkt 12 verbunden ist. In 5 ist ein Schaltungsbeispiel für eine mögliche Realisierung der Auswerteeinheit 8 dargestellt, wobei die Auswerteeinheit 8 den ersten Meßpunkt 11 des Diodenrings mit einem ersten Meßwiderstand 19 und den zweiten Meßpunkt 12 des Diodenrings mit einem zweiten Meßwiderstand 20 belastet, wobei jeweils ein Anschluß des ersten Meßwiderstandes 19 und des zweiten Meßwiderstandes 20 mit der Masse der Schaltung verbunden ist. Die an dem ersten Meßwiderstand 19 abfallende Meßspannung und die an den zweiten Meßwiderstand 20 abfallende Meßspannung werden dann jeweils über einen Tiefpaß 21, 22 geleitet und durch eine Operationsverstärkerschaltung 23 ausgewertet.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 und 5 ist eine Offset-Impedanz 24 mit ihrem ersten Anschluß mit dem zweiten Einspeisepunkt 10 des Diodenrings verbunden und ist die Offset-Impedanz 24 mit ihrem zweiten Anschluß mit der Masse der Schaltung verbunden. Dadurch läßt sich einstellen, inwieweit das von der Wechselsignalquelle 2 generierte Wechselsignal gegenüber dem Messepotential der Schaltung verschoben ist. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn die Wechselsignalquelle, wie in allen Ausführungsbeispielen dargestellt, floatend realisiert ist. Um eine Steuerbarkeit der Frequenz des Wechselsignals zu erreichen, ist die Wechselsignalquelle 2 als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert, wobei andere Realisierungen möglich sind, wie z. B. mit einem widerstandsgesteuerten, einem stromgesteuerten oder einem kapazitätsgesteuerten oder auch mit einem digitalen Oszillator.
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Die Admittanzmeßvorrichtungen 1 gemäß den 3 bis 5 zeigen, daß das Wechselsignal der Wechselsignalquelle 2 kapazitiv über einen ersten Koppelkondensator 25 in den ersten Einspeisepunkt 9 des Diodenrings und über einen zweiten Koppelkondensator 26 in den zweiten Einspeisepunkt des Diodenrings eingekoppelt wird, womit der Gleichspannungsanteil des Wechselsignals eliminiert wird.
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In allen Ausführungsbeispielen ist der als Resonator ausgebildete Meßfühler 7 als λ/4-Resonator ausgestaltet, was den Vorteil mit sich bringt, daß der Resonatorstrom an dem mit dem ersten Einspeisepunkt 9 verbundenen Ende maximal ist, und daß an dem diesen Ende abgewandten Ende eine maximale Resonatorspannung vorliegt. Dies führt zu einer besonders guten Auswertbarkeit des Resonatorsstroms einerseits und einer besonders guten Auswertbarkeit der Beeinflussung des Meßfühlers 7 andererseits. Durch den λ/4-Resonator wird an der Spitze des Meßfühlers 7 eine hohe Spannung erhalten, was in Verbindung mit einer möglichst hohen Arbeitsfrequenz besonders gut geeignet ist, den kapazitiven Widerstand des in 9 als Kunststoffkappe dargestellten Gehäuseteils zu überwinden. Deshalb wird auch die Resonanzfrequenz für den Referenzresonator 13 tiefer gewählt als die Resonanzfrequenz des messenden Resonators. Die Stromauswertung macht das Gerät besonders störfest. Die kapazitive Eigenschaft eines beispielsweise als Kunststoffkappe ausgestalteten Gehäuseteils des Meßfühlers 7 ist in 7 als Kondensator 34 dargestellt. Es kann sich hierbei beispielsweise um die Kapazität des in 9 dargestellten Gehäuseteils 31 handeln.
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In 7 ist im Detail eine mögliche Realisierung des Meßfühlers 7 als Resonator und des Referenzresonators 13 dargestellt. Der Resonator besteht hier aus einer Koaxialleitung 27 und einer aktiven Elektrode 28 einer Meßimpedanz 29. Die Gegenelektrode der aktiven Elektrode 28 wird durch die Umgebung des Meßfühlers 7 gebildet. Durch eine solche Anordnung lassen sich auf einfache Weise Resonanzfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich hinein erzielen.
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Da die Resonanzfrequenz des Resonators unter anderem von der Länge der Koaxialleitung 27 abhängt, die Koaxialleitung aus konstruktiven Gründen aber nicht beliebige Abmessungen aufweisen kann, ist die Resonanzfrequenz des Resonators auf elektrischem Wege angepaßt, nämlich durch eine Spule 30 vor der Koaxialleitung 27. Durch die Induktivität der Spule 30 wird die Resonanzfrequenz des Resonators reduziert. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Resonanzfrequenz des Resonators in etwa 150 Megahertz, eine Frequenz, bei der sich Anhaftungen an dem Sensor von großvolumigen Umgebungen des Sensors mit Medium gut unterscheiden lassen.
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In 9 ist dargestellt, daß der als Resonator ausgestattete Meßfühler 7 über einen Gehäuseteil 31 einem Medium aussetzbar ist. Dies ist vorliegend durch die Spule 30 umgesetzt, die entlang dem Gehäuseteil 31 erstreckt ist, vorliegend nämlich als konische Spule 30 in einem als konische Kappe ausgestalteten Gehäuseteil 31 realisiert ist. Der Resonanzstrom innerhalb der Spule 30 setzt sich zusammen zum einen aus einem Strom, der durch die kapazitive Kopplung des Meßfühlers 7 mit dem eigentlich interessierenden Volumen hervorgerufen wird. Diese kapazitive Kopplung ist in 9 durch den Kondensator 32 symbolisiert. Zum anderen erzeugt eine Medium-Anhaftung an dem Meßfühler 7 eine weitere Kapazität, die in 9 als Kondensator 33 symbolhaft eingezeichnet ist. Der durch diese Kapazität hervorgerufene, nicht nach Masse fließende Strom liefert keinen Beitrag zum erfaßten Meßstrom, er verringert sogar den über die Kapazität 32 verursachten Strom, weshalb durch die dargestellte Realisierung des Meßfühlers im Ergebnis eine noch ausgeprägtere Anhaftungs-Unterdrückung feststellbar ist, als nur durch die zuvor beschriebene Güteabsenkung des Resonators.
