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Elektronische Füllstandsanzeigevorrichtnng Die Erfindung betrifft
eine elektronische Füllstandsanzeigevorrichtung für flüssiges, körniges und staubförmiges
Gut, insbesondere Kohlenstaub.
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Zur Anzeige der Höhe des Füllgutes in einem Bunker, Behälter od.
dgl. werden mechanisch und seit einigen Jahren auch elektronisch arbeitende Vorrichtungen
verwendet. Bei den mechanisch arbeitenden Vorrichtungen ist im allgemeinen eine
bewegliche Sonde vorgesehen, die über einen Seilzug oder ein Gestänge den jeweiligen
Füllstand auf einer Skala anzeigt.
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Bei den bekannten elektronischen Füllstandsanzeigevorrichtungen nutzt
man entweder die durch das Füllgut hervorgerufene Beeinflussung einer Kapazität
oder eines galvanischen Ableitungswiderstandes aus. Die Veränderung der Kapazität
wird in der Regel mit Hilfe von monostabilen Schwingkreisen und zugeordneten Verstärker-
bzw. Relaisstufen angezeigt. Die beeinflußbare Kapazität ist hierbei in dem Behälter
an der betreffenden Stelle angeordnet, an der beim Erreichen des Füllgutes eine
Anzeige bewirkt werden soll, während sich die übrigen Schaltmittel außerhalb des
Behälters, und zwar im allgemeinen in der Nähe der Anzeigevorrichtung selbst befinden.
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Das gleiche gilt für die Vorrichtungen, bei denen zur Feststellung
der Füllstandshöhe die Veränderung des galvanischen Ableitungswiderstandes in Verbindung
mit entsprechenden Verstärkerstufen ausgewertet wird. Auch bei diesen Vorrichtungen
sind die Elektrode einerseits und das Auswertungsgerät andererseits örtlich getrennt
voneinander untergebracht.
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Die vorbekannten Füllstands anzeigevorrichtungen weisen eine Reihe
von Mängeln und Nachteilen auf, durch die vor allem die Genauigkeit der Anzeige
erheblich beeinträchtigt wird. Bei den die Veränderung einer Kapazität ausnutzenden
Vorrichtungen wird die Anzeige besonders durch Temperaturschwankungen und Schwankungen
der Luftfeuchtigkeit beeinflußt. Es ist bekannt, diese Beeinflussung durch Kompensation
auszugleichen, wozu aber zusätzliche Schaltmittel und Abgleichmaßnahmen erforderlich
sind. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil besteht darin, daß diese Vorrichtungen
bei sehr trockenem, insbesondere staubförmigem Füllgut (Trockenfeinkohle) wegen
der geringfügigen Änderung der Kapazität vielfach völlig versagen.
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Demgegenüber fallen die galvanisch arbeitenden Systeme häufig dadurch
aus, daß sich an den Übergängen der Elektroden Kriechstrecken bilden, die praktisch
einen Kurzschluß darstellen. Diese Vor-
richtungen sind ebenfalls bei trockenem,
staubförmigem Füllgut wenig zuverlässig.
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Die vorliegende Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, eine elektronische
Füllstandsanzeigevorrichtung zu schaffen, bei der nicht nur die vorgenannten Nachteile
vermieden werden, sondern vor allem auch eine zuverlässige Anzeige bei trockenem,
staubförmigem Füllgut, insbesondere Kohlenstaub, erzielt wird. Darüber hinaus soll
die Vorrichtung gegen änderungen der Stückgröße und Körnigkeit sowie des Feuchtigkeitsgehaltes
des Füllgutes unempfindlich sein. Außerdem soll die Füllstandsanzeigevorrichtung.
in explosionsgefährdeter Umgebung ohne besondere Schutzmaßnahmen einsetzbar sein.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist nach einem Grundgedanken der
Erfindung eine Füllstandsanzeigevorrichtung derart aufgebaut, daß in einer an der
Meßstelle befindlichen Sonde einerseits zwei im elektrischen Aufbau gleichwertige,
jedoch in der Phase um 1800 gegeneinandergeschaltete, ohne Einwirkung des Füllgutes
sich gegenseitig synchronisierende Schwingkreise vorgesehen und derart ausgebildet
sind, daß ein Schwingkreis (Grundfrequenzschwingkreis) durch das Dielektrikum des
Füllgutes in seinen Induktivitäts- und Kapazitätswerten unbeeinflußbar, der andere
Schwingkreis (Arbeitsfrequenzschwingkreis) dagegen beeinflußbar ist, und andererseits
Schaltungsmittel für eine Differenzbildung der Frequenzabweichung zwischen den beiden
Schwingkreisen und Umwandlung in den Anzeigewert enthalten sind.
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Als beeinflußbares Glied ist nach einem weiteren Erfindungsgedanken
die im Arbeitsfrequenzschwingkreis enthaltene Schwingkreisspule vorgesehen.
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Die Erfindung sieht ferner im Grundfrequenzschwingkreis eine Spule
mit veränderlicher Induktivität zur Einstellung der Grundfrequenz vor. Eine veränderliche
Widerstandskopplung zwischen den beiden Schwingkreisen dient nach einem weiteren
Erfindungsmerkmal zur Einstellung der Stärke der Synchronisation.
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Die Entdämpfung der beiden Schwingkreise erfolgt nach einem weiteren
Kennzeichen der Erfindung durch Transistoren. Zur Differenzbildung der Frequenzabweichung
zwischen den beiden Schwingkreisen ist am Ausgang der beiden Kreise ein Differentialtransformator
angeschlossen. Bei einer Beeinflussung des Arbeitsfrequenzschwingkreises durch das
Füllgut entsteht auf der Sekundärseite des Differentialtransformators eine Schwebung
mit impulsähnlichem Charakter, die nach der weiteren Erfindung in einer nachgeschalteten
Niederfrequenzstufe verstärkt wird. Als weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes
ist eine Auskopplung der Niederfrequenz mittels eines Übertragers vorgesehen, wobei
an diesen Übertrager ein Gleichrichterkreis angeschlossen ist, an dem der Anzeigewert
abgenommen wird.
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Bezüglich der räumlichen Ausbildung der beeinflußbaren Schwingkreisspule
ist nach der weiteren Erfindung bei einer ersten Ausführungsform eine Hohlzylinderspule
und bei einer zweiten Ausführungsform eine Flachspule vorgesehen. Die Flachspule
besteht aus in einer Ebene spiralförmig übereinander angeordneten Windungen. Im
Falle der ersten Ausführungsform ist die Hohlzylinderspule innerhalb der Sonde um
die übrigen Schaltmittel herum angeordnet. Die Sonde selbst hat hierbei gleichfalls
eine zylindrische Form, so daß die Spule unmittelbar an der Innenwandung der Sonde
anliegt.
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Schließlich ist nach einem weiteren Erfindungsgedanken eine solche
Einbettung aller innerhalb der Sonde befindlichen Schaltmittel in einer Vergußmasse
vorgesehen, daß diese mit der Sonde einen kompakten Körper bilden.
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Im Gegensatz zu den vorbekannten elektronischen Füllstandsanzeigevorrichtungen
sieht die Erfindung eine Zusammenfassung des durch das Füllgut beeinflußbaren Schaltelementes
einerseits und der für die Umwandlung in den eigentlichen Anzeigewert notwendigen
Schaltmittel andererseits in einem in sich geschlossenen Körper vor, der als Sonde
an derjenigen Stelle des Behälters angeordnet wird, an der eine Messung ausgelöst
werden soll. Dadurch, daß innerhalb dieser Sonde zwei gegeneinandergeschaltete Schwingkreise
vorgesehen sind, heben sich alle auf die elektronischen Bauteile gleichermaßen auswirkenden
Umgebungseinflüsse gegeneinander auf. Demgegenüber wirkt sich durch die besondere
räumliche Gestaltung der beeinflußbaren Schwingkreisspule das Füllgut ausschließlich
auf diese Spule aus und bewirkt dadurch die gewünschte Anzeige.
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Die Zusammenfassung aller Schaltmittel innerhalb der Sonde selbst
hat weiterhin den Vorteil, daß die Betriebsspannung (etwa 1,5 V) und der Betriebsstrom
(etwa 20 bis 30 mA) verhältnismäßig niedrig gehalten werden können. Dadurch erfüllt
die Vorrichtung gleichzeitig die Vorschriften für eine eigensichere Bauweise. Die
Eigensicherheit ist eine entscheidende Voraussetzung für die Verwendung der erfindungs-
gemäßen
Anzeigevorrichtung innerhalb eines Bunkers für Trockenfeinkohle.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltschema der
elektronischen Füllstandsanzeigevorrichtung, Fig.2 eine Seitenansicht einer Sonde
mit einer Hohlzylinderspule in einem Schnitt entlang der Linie III-III der F i g.
3, Fig.3 eine Draufsicht auf die Sonde in einem Schnitt entlang der Linie II-II
der F i g. 2, F i g. 4 eine Seitenansicht der Sonde mit Flachspule in einem Schnitt
entlang der Linie V-V der F i g. 5 und F i g. 5 eine Vorderansicht der Sonde nach
F i g. 4 mit einer teilweisen Durchbrechung der äußeren Abdeckplatte.
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Der Grundfrequenzschwingkreis setzt sich aus einer Spule 1 und einem
Kondensator2 zusammen.
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Zur Entdämpfung dieses Schwingkreises ist ein Transistor 3 eingeschaltet.
Um die Auswirkung der Kapazitätsänderung des Transistors 3 auf den Schwingkreis
möglichst klein zu halten, ist eine kapazitive Spannungsteilung mittels der Kondensatoren
4, 5 vorgesehen. Der ohmsche Widerstand 6 dient zur Einstellung der Basisvorspannung
des Transistors 3, während die Drossel 7 eine Hochfrequenzsperre darstellt.
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Der im elektrischen Aufbau gegenüber dem Grundfrequenzschwingkreis
gleichwertige Arbeitsfrequenzschwingkreis enthält eine Schwingkreisspule 9 und einen
KondensatorlO. Ohne Beeinflussung der Induktivität der Schwingkreisspule 9 durch
das Füllgut schwingt dieser Schwingkreis mit der gleichen Frequenz wie der Grundfrequenzschwingkreis.
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Der ohmsche Widerstand 8 bestimmt mit seinem Wert die Stärke der
Synchronisation zwischen dem Grundfrequenzschwingkreis und dem Arbeitsfrequenzschwingkreis.
Mit zunehmender Stärke der Synchronisation muß die Beeinflussung zunehmen, um die
Schwingkreise aus dem Synchronzustand zu bringen. Die günstigste Synchronisation
und damit die günstigste Empfindlichkeit wird zweckmäßigerweise am Verwendungsort
eingestellt. Da bei steigender Arbeitsgrundfrequenz und gleichbleibender Beeinflussung
des Arbeitsfrequenzschwingkreises die gebildete Differenzschwingfrequenz zunimmt,
ergibt sich hieraus, daß mit einer Erhöhung der Arbeitsgrundfrequenz ebenfalls eine
Empfindlichkeitssteigerung zu erzielen ist. Die günstigste Arbeitsgrundfrequenz
muß von Fall zu Fall entsprechend der gestellten Aufgabe (Beschaffenheit des Füllgutes)
ermittelt werden.
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Die Gegeneinanderschaltung und Zusammenfassung gleichwertiger Schwingkreise
innerhalb des Sondenkörpers wurde gewählt, um den Einfluß eventueller Frequenzabweichungen
durch Schwankungen in der Speisespannung einerseits und infolge Temperaturänderungen
andererseits zu kompensieren, d. h. auszuschalten.
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Die im Arbeitsfrequenzschwingkreis vorgesehenen Schaltmittel, wie
Transistor 11, Kondensatoren 12, 13, ohmscher Widerstand 14 und Drossel 15, haben
die gleiche Bedeutung wie beim Arbeitsfrequenzschwingkreis.
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Über die Gleichrichter 16 und 17 wird die Oszillatorfrequenz der
beiden Schwingkreise niederohmig aus den Emitterkreisen der Transistoren 3 und 11
ausgekoppelt.
Die Gleichrichter 16, 17 dienen gleichzeitig in Verbindung mit den Ableitungswiderständen
18, 19 zur Erzeugung der Basisvorspannung für die nachgeschalteten Transistoren
20, 21. Außerdem schneiden die Gleichrichter 16, 17 die positiven Halbwellen aus
der ausgekoppelten Oszillatorfrequenz heraus. Die negativen Halbwellen werden dagegen
von den Transistoren 20,21 verstärkt und an den Differentialtransformator22 weitergegeben.
Die Transistoren 20, 21 haben außerdem die Aufgabe, die beiden Schwingkreise zu
entkoppeln, um eine unerwünschte Rückwirkung zu verhindern.
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Bei Gleichlauf der beiden Schwingkreise ergibt sich auf der Sekundärseite
des Differentialtransformators praktisch die Spannung Null. Wird dagegen der Arbeitsfrequenzschwingkreis
beeinflußt, so bewirkt die entstehende Frequenzdifferenz auf der Sekundärseite des
Transformators 22 eine Schwebung mit impulsähnlichem Charakter. Um die Resthochfrequenz
auf der Sekundärseite auszusieben, ist ein Kondensator 23 parallel zur Sekundärseite
geschaltet.
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Über einen Koppelkondensator 24 wird die Wechselspannung an die Basis
eines weiteren Transistors 25, der als Niederfrequenzverstärker wirkt, angelegt.
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Ein Widerstand 26 dient hierbei zur Erzeugung der Basisvorspannung
für den Transistor 25. Die durch den Transistor 25 verstärkte Spannung wird über
einen Übertrager 27 ausgekoppelt und in einem nachgeschalteten Gleichrichterkreis
28 gleichgerichtet.
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Mittels der Kondensatoren 29, 30 wird eine nochmalige Unterdrückung
eventueller Resthochfrequenzen vorgenommen. Der Kondensator 31 wirkt als Ladekondensator
für den Gleichrichterkreis 28. Der Kondensator 32 dient zur Entkopplung der Speisespannungszuführung.
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Von der Sonde gehen lediglich drei Leitungen aus, die einerseits
zur Spannungszuführung und andererseits zur Übertragung des Anzeigewertes auf das
Meßinstrument dienen. Das Meßinstrument wird an den Klemmen 28 a und 28 c angeschlossen,
während die Klemmen 28 b und 28 c mit der Spannungsquelle in Verbindung zu bringen
sind.
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Bei der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform hat die
Sonde33 mit der Schwingkreisspule 34 eine zylindrische Gestalt. Diese Ausführungsform
wird vor allem dann angewendet, wenn eine punktförmige Erfassung mehrerer Füllstände
vorgesehen ist, wozu je nach der Anzahl der gewünschten Meßpunkte eine entsprechende
Anzahl von Sonden zweckmäßigerweise in einem gemeinsamen Schutzrohr 35 übereinander
untergebracht werden. Dieses Schutzrohr 35 wird in dem Behälter, bei dem verschiedene
Füllstandshöhen gemessen werden sollen, derart eingesetzt, daß das Füllgut mit dem
Schutzrohr 35 in innige Berührung kommt. Die erforderlichen Schaltmittel sind bei
dieser Ausführungsform auf einer innerhalb der Spule 34 befindlichen Montageplatte
36 befestigt.
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Die Zufuhr der Speisespannung und die Übertragung des Meßergebnisses
für die in Fig. 2 dargestellte Sonde erfolgt über das Kabel 37, während das im Schutzrohr
35 ferner vorgesehene Kabel 38 als Zuführung zu den weiteren Sonden innerhalb dieses
Schutzrohres vorgesehen ist.
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In jeder einzelnen Sonde sind die elektronischen Schaltmittel und
die Schwingkreisspule in einer Vergußmasse eingebettet, so daß ein kompakter Körper
entsteht.
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Bei der Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5 ist die Schwingkreisspule
39 als Flachspule ausgebildet. Dementsprechend hat die Sonde selbst die Form eines
flachen Körpers. Diese Bauweise eignet sich besonders für eine Anbringung in der
Behälter-oder Bunkerwand 43, in der zu diesem Zweck eine Nische 44 vorzusehen ist.
Die elektronische Einheit 40 ist bei dieser Bauweise unmittelbar hinter der Flachspule
39 angeordnet; Spule 39 und elektronische Reinheit 40 sind an einer Platte 41 befestigt,
die beim Einbau der Sonde mit der Behälter bzw.
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Bunkerwand bündig liegt. Das Kabel 42 enthält wiederum die Leitungen
für die Stromzuführung und für die Übertragung des Meßwertes auf das entfernt angeordnete
Anzeigeinstrument.
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In der gleichen Weise wie bei der zylindrischen Sonde sind auch bei
dieser Ausführungsform alle Schaltmittel zur Schaffung einer kompakten Sonde in
einer Vergußmasse eingebettet.