DE1250146B - Vorrichtung zur mengen- oder standmessung von flüssigem, gasförmigem oder festen gut - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

ΨρΨ^ Deutsche Kl.: 42 e - 34

AUSLEGESCHRIFT ~ ™ Aktenzeichen: N 23966IX b/42 e

1 250 146 Anmeldetag: 2. November 1963

Auslegetag: 14. September 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Mengen- oder Standmessung von flüssigem, gasförmigem oder festem Gut mittels einer elektronischen Anordnung, die ein die Mengenmessung des Gutes bewirkendes Bauteil, vorzugsweise eine Kapazität. oder einen temperaturabhängigen Widerstand, ent- -nait

Das Anwendungsgebiet für Mengenmesser und -anzeiger ist sehr umfangreich. Demzufolge ist auch die Zahl der Ausführungsformen groß. Im Prinzip sind sie sich aber alle sehr ähnlich. Grundsätzlich kann man bei ihnen drei Teile feststellen, und zwar den Meßort, den Übertragungsweg und den Anzeigeort. Am Meßort wird entweder eine direkte Messung des Pegels durch die Lage von Schwimmkörpern, mit Tastern oder durch übereinander angeordnete elektrische Kontakte u. dgl. vorgenommen, d. h., die Messung basiert auf dem Einfluß der Höhe des zu messenden Stoffes. Ihr können auch physikalische Eigenschaften des zu messenden Gutes zugrunde liegen. Zu der letzteren Meßart, die für eine Fernübertragung und für Behälter von Fahrzeugen im allgemeinen die geeignetere ist, sind eine ganze Reihe verschiedener Konstruktionen bekannt. Bei den mechanischen Ausführungen wird der Auftrieb von Schwimmkörpern entgegen einer Federkraft, der Druck des Betriebsstoffes auf Manometer u. a. genutzt, wobei die Übertragung zu einer Skala oder einer Regeleinrichtung zumeist mit Seilzügen, hydraulischen oder pneumatischen Einrichtungen erfolgt.

Zu den indirekten Meßmethoden gehören ferner die Ausführungen, bei denen die durch die Umgebung erfolgte Abkühlung eines erhitzten Widerstandes ausgewertet wird.

Für verschiedene Abkühlungstemperaturen, bedingt durch die vom Betriebsstoff unterschiedlich bedeckte Wärmeübertragungsfläche am Widerstand, besitzt ein geeigneter Widerstandsstoff einen unterschiedlichen Wirkwiderstand, der als Bestandteil einer Brücke dann die Spannung über eine Brückendiagonale verändert. Die Verwendung einer Brücke hat aber den Nächteil, daß die an der einen Diagonalen angelegte Spannung spannungsgeteilt an der anderen, mit einem Meßwerk verbundenen Diagonalen auftritt, so daß man häufig gezwungen ist, mit einer verstärkten Wechselspannung zu arbeiten. Dadurch entsteht ein mehr oder weniger größerer Aufwand für einen Generator und einen Verstärker. Denkbar ist auch die Ausnutzung von anderen, ebenfalls auf eine unterschiedliche Wärmeabgabe beruhenden physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Ausdehnung von Körpern, die ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Bestandteil Vorrichtung zur Mengen- oder Standmessung von flüssigem, gasförmigem oder festen Gut

Anmelder:

Norddeutsche Mende Rundfunk K. G., Bremen-Hemelingen, Diedrich-Wilkens-Str. 39/45

Als Erfinder benannt: Ernst Jandt, Bremen

eines elektrischen Kreises sind, ähnlich den Dehnungsmeßstreifen. Es ist ferner bekannt, eine Pegelanzeige für Flüssigkeiten mit Hilfe einer in diese getauchte Kapazität, einer sogenannten Eintauchelektrode, vorzunehmen. Die Kapazität ist meistens Teil eines Schwingkreises von einem Generator, dessen Spannung an einer geeigneten Stelle demoduliert auf ein Meßwerk gegeben wird. Seltener wird dieser Kondensator in eine Brücke gelegt, wobei diese als phasenschiebendes Rückkopplungsglied in einer Generatorschaltung liegen kann.

Von den genannten Methoden weisen besonders die mechanischen Ausführungen eine Reihe von Nachteilen auf, die ihre Anwendung beschränken, zumindest da, wo man aus Raum- oder Kostengründen stark gebunden ist. Dies hängt natürlich in hohem Maße von der Anzeigengenauigkeit und der Empfindlichkeit ab. Mechanische Ausführungen des Übertragungsweges sind gegenüber elektrischen Leitungen im Nachteil.

Seilzüge unterliegen einem großen Verschleiß und sind pflegebedürftig. Ihr größter Nachteil ist die unterschiedliche, nicht erfaßbare Beanspruchung des Seilquerschnittes. Hydraulische und pneumatische Übertragungseinrichtungen erfordern einen beachtlichen Materialaufwand. Die leider zumeist nicht einwandfreien Verbindungsstellen ihrer Übertragungsmittel sind oft Fehlerquellen. Sie sind außerdem empfindlich gegen Verschmutzungen.

Die zahlenmäßig geringeren elektrischen Ausführungen stellen demgegenüber einen beachtlichen Fortschritt dar. Sie enthalten keine beweglichen Teile bis auf Relais, die aber gut geschützt werden können. Sie unterliegen somit also kaum einem Verschleiß. Die bisherigen Ausführungen sind jedoch im Material-

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aufwand nicht viel günstiger als mechanische Ausführungen. Die Ursache dafür ist teilweise in den bislang verwendeten Röhren zu suchen, für deren Betrieb eine größere, leistungsfähigere Batterie erforderlich ist. Verwendet man Transistoren, kommt man zwar mit wesentlich kleineren Leistungen aus, doch sind auch dann die bisher bekannten Schaltungsarten mit den erforderlichen Änderungen im allgemeinen beibehalten worden. Demgegenüber bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anwendung einer Multivibratorschaltung in Verbindung mit einer kapazitiv ausgebildeten Pegelmessung materialmäßig beachtliche Vorteile, nicht zuletzt auch dadurch, daß ein raumsparender Aufbau möglich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische. Anordnung ein vorzugsweise symmetrischer, mit Transistoren betriebener Multivibrator angeordnet ist, bei dem die Kapazität oder der Widerstand eines die Impulsbreite bestimmenden Zeitkonstantengliedes als Meßorgan vorgesehen ist und durch den Unterschied der Impulsbreite an einer Stelle der einen Stufe und an der entsprechenden Stelle der anderen Stufe des Multivibrators eine Differenzspannung für eine Anzeigeeinrichtung oder für eine diesen Vergleichswert weiterverarbeitende Einrichtung abnehmbar ist.

Mit der Meßkapazität wird also in bekannter Weise das betreffende Gut gemessen, wenn es den Raum zwischen den Kondensatorbelegungen oder -platten je nach Füllungsgrad des betreffenden Behälters mehr oder minder ausfüllt, wobei der Meßeffekt durch die Dielektrizitätskonstante des zu messenden Gutes herbeigeführt wird, sofern diese merkbar von der Dielektrizitätskonstanten der Luft abweicht.

Um insbesondere Flüssigkeiten in stark schwankenden Behältern, beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder in Luftfahrzeugen sicher und genau messen zu können, wird zweckmäßigerweise als Meßorgan ein solcher Kondensator verwendet, der aus unterteilten Platten gebildet ist, die an verschiedenen Stellen des das zu messende Gut aufnehmenden Behälters angeordnet sind. Dabei kann auch in bekannter Weise eine Belegung bzw. Platte des Meßkondensators von der Wand des aus metallischem Werkstoff hergestellten Behälters gebildet sein.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel für eine Multivibratorschaltung mit den wesentlichen Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2a bis 2c die Spannungsdiagramme des Multivibrators,

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel mit einem einfachen Meßkondensator,

Fig. 4 ein Beispiel mit einem zweifachen Meßkondensator,

Fig. 5 ein Beispiel mit einem vierfachen Meßkondensator.

In F i g. 1 ist eine Multivibratorschaltung wiedergegeben, die aus zwei Transistorstufeh mit den Transistoren 3 und 4 besteht. Ein von dem Kollektor des einen Transistors zur Basis des anderen führender Koppelkondensator dient als Meßkondensator.

In F i g. 1 ist dafür willkürlich der Kondensator 6 benutzt. Dieser Meßkondensator wird in das Gut eingeführt, dessen Menge bestimmt und angezeigt werden soll. Von seiner Größe hängt die Impulsbreite des an dem Kollektor des Transistors 4 bzw. dessen

Kollektorwiderstand 10 vorhandenen Impulses ab. Einzelheiten zeigen die in Fig. 2 dargestellten Spannungsdiagramme, die wie üblich idealisiert gezeichnet sind. In den Spannungsdiagrammen sind S über eine kurze Zeit die Impulse an den Transistoren 3 und 4 wiedergegeben. Die Pfeile und Zahlen neben den Spannungssprüngen dienen zum Verständnis der Wirkungsweise. Die Zahlen geben dabei den zeitlichen Ablauf an, d. h., auf das Ereignis beispielsweise

ίο zur Zeit i₈ folgt das zur Zeit Z₉ , dann das zur Zeit Z₁₀ usw. Die Pfeile bedeuten, daß hier der Spannungssprung in Richtung des Pfeiles auftritt, d.h., ein nach oben gerichteter Pfeil bedeutet einen positiven Spannungssprung, ein nach unten gerichteter einen negativen Spannungssprung. Die Emitterelektroden sind für das Ausführungsbeispie) das Bezugspotential O Volt und hier zugleich auch das Massepotential.

Von dem geöffneten Transistor 3 ausgehend läßt sich die Wirkungsweise folgendermaßen beschreiben:

ao Unterschreitet die Basisspannung Ub₃ zur Zeit I₁ geringfügig die Emitterspannung, dann öffnet der Transistor 3, d.h., es fließt ein Kollektorstrom, der über den Widerstand 9 einen Spannungsabfall erzeugt, so daß bei genügend negativer Basisspannung Ub₃ die Spannung Uc₃ zum Zeitpunkt f₂ etwa auf Emitterpotential gebracht wird, also auf etwa O Volt. Das folgt mit einer an sich unerwünschten, hierbei aber vernachlässigbaren Zeitkonstanten. Dieser Spannungssprung am Kollektor des Transistors 3 wird über den Kondensator 6 auf die Basis des Transistors 4 zu einem auf t₂ unmittelbar folgenden Zeitpunkt t₃ übertragen, so daß der Transistor 4 zur Zeit f₄ gesperrt wird und am Kollektor des Transistors 4 die Batteriespannung —U auftritt.

Der letztgenannte Spannungssprung zur Zeit I_i würde über den Kondensator 5 die Basisspannung Ub₃ weiter absenken, wenn die Basisspannung Ub₃ wegen des geöffneten Transistors 3 nicht festgehalten würde. Der Kondensator 6 lädt sich von der zur Zeit t₃ an der Basis des gesperrten Transistors 4 vorhandenen positiven Spannung Ub₁ auf die Batteriespannung —U über den Widerstand 8 um. Nach einer durch die Zeitkonstante t₁ = R_s · C_e bestimmten Zeit erreicht die Spannung Us_i das Öffnungspotential des Transistors 4, so daß zu diesem Zeitpunkt t_h die Kollektorspannung Ua auf 0 Volt gebracht wird. Dieser positive Spannungssprung sperrt unmittelbar zur Zeit t₆ den Transistor 3, an dessen Kollektor dann folgend zur Zeit /, die Spannung von O Volt auf —U springt, wobei sich dieser Spannungssprung über den Kondensator 6 auf die Basis des geöffneten Transistors 4 zu übertragen sucht. Der Kondensator 5 an der Basis des Transistors 3 kann sich jetzt über den Widerstand 7 auf das Potential —U in einer durch die Zeitkonstante t₂ = R₇ · C₅ bestimmten Zeit umladen. Beim Erreichen des Öffnungspotentials für den Transistor 3 fließt zum Zeitpunkt J_e über den Kollektor ein den positiven Spannungssprung erzeugender Strom, der den Transistor 4 sperrt und bei dem sich dann die anfangs beschriebenen Vorgänge wiederholen.
Sowie nun der Widerstand oder die Kapazität eines der beiden Zeitkonstantenglieder geändert wird, ändert siclTaffeh die Impulsbreite am Kollektor des betreffenden Transistors. Wird beispielsweise die Kapazität auf den halben Wert erniedrigt, dann verkürzt sich die Umladezeit bekanntlich auf den halben Wert. In Fig. 2 ist dies für die Impulsreihen Ue_i und Uc_i ab dem Zeitpunkt Z₁₈ dargestellt. Die Kapazität 6 wird

bei diesem Beispiel z. B. von 2000 pF auf 1000 pF geändert.

Schaltet man, wie in Fig. 1 gezeichnet, ein elektrisches Meßinstrument 2 über die beiden Kollektoren mit den Spannungen Uc₃ und Uc_i, dann zeigt es jetzt eine positive Gleichspannung an, die für das angenommene Beispiel gemäß Fig. 2c etwa ein Drittel des Betrages der Batteriespannung — U beträgt. Das Meßinstrument 2 zeigt die Spannung an einer Anschlußklemme gegenüber der an der anderen an, d.h. also bei entsprechender Polung die Spannung Uc_i gegenüber Uc₃, wie sie durch die unterste Impulsreihe (c) der F i g. 2 für den Fall dargestellt ist, daß das Instrument schnellen Spannungswechseln folgen kann. Die mittlere und von einem Gleichstrominstrument angezeigte Spannung dieser Impulsreihe liegt links bei 0 Volt und rechts von dem Zeitpunkt t₁₇ an, in dem die Kapazität des Kondensators 6 erniedrigt wurde, bei einem Drittel des Betrages der Batteriespannung — U, wie es von den darunter gezeichneten Instrumenten angedeutet wird.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anwendung einer Multivibratorschaltung, bei der ein aus einer Überlagerung zweiter Impulsreihen entstehender Gleichspannungsanteil registriert wird, kann an Stelle des Meßinstrumentes 2 eine regelnde, speichernde oder datenverarbeitende Einrichtung vorgesehen werden, die gemäß Ihrem jeweiligen Verwendungszweck sehr verschiedenartig ausgebildet sein kann.

Zur Mengenmessung können aber auch ein Festkondensator und ein temperaturabhängiger Widerstand in dem betreffenden Zeitkonstantenglied vorhanden sein, dessen erforderliche Änderung in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Menge des zu messenden Gutes, beispielsweise auf eine unterschiedliche Wärmeabgabe an die Umgebung, beruhen kann.

Für die Beschreibung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verwendung eines Multivibrators mit Hilfe der Spannungsdiagramme in Fig. 2 wurde ein symmetrischer Multivibrator zugrunde gelegt, d. h. ein Multivibrator, an dessen Stufen seitlich verschobene gleiche Impulse auftreten. Das schließt die Anwendung von unsymmetrischen Multivibratoren für bestimmte Fälle nicht aus, bei denen dann zu Beginn der Pegelbestimmung im allgemeinen eine von 0 Volt abweichende Gleichspannung an der Meßeinrichtung auftritt.

Die Ausbildung des Meßkondensators wird entsprechend dem Verwendungszweck sehr verschiedenartig sein. Sollen beispielsweise elektrisch leitende Stoffe gemessen werden, so ist es erforderlich, die Kondensatorplatten mit einer isolierenden Schutzschicht eines geeigneten Stoffes zu überziehen. Auch in anderen Fällen kann es von Vorteil sein, eine Schutzschicht zu verwenden, z.B. bei leicht entzündbaren Stoffen zur Vermeidung von Uberschlägen und bei chemisch aggressiven Stoffen. Ferner muß die räumliche Ausbildung des Meßkondensators seinem Verwendungszweck angepaßt sein. Vorwiegend für stationäre Anlagen ist der in Fig. 3 gezeichnete Zylinder-Kondensator mit den beiden Elektroden 6 a und 6b gedacht, der in einen den Betriebsstoff aufnehmenden Behälter 11 getaucht ist. Die zum Multivibrator 1, der schaltungsmäßig der F i g. 1 entspricht, führenden Anschlußleitungen sind mit 12 und 13 bezeichnet. Statt des Zylinder-Kondensators 6a, 6b, der nur als Beispiel dargestellt ist, können andersartig ausgebildete Kondensatoren verwendet

werden, und zwar zur Vergrößerung der Kapazität, insbesondere solche, die aus mehreren Platten bestehen.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit in bewegten Behältern von Land-, Wasser-, Luft- und Raumfahrzeugen, bei denen der Behälter häufig aus seiner Normallage gebracht oder der Stand des zu messenden Gutes durch Beschleunigungskräfte verändert wird, kann die Messung gemäß Fig. 4a, 4b und 5 an ίο mehreren Stellen im Behälter erfolgen, wobei dann die in den Behälter eingeführten Leiterflächen (Elektroden) die eine Platte des Kondensators und die Wandung des Behälters 11 die andere Platte bilden. Diese Meßart ist mit dem bedeutenden Vorteil verbunden, daß die Anzeige des Meßinstrumentes 2 ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand stets richtig bleibt im Gegensatz zu dem bei bekannten Vorrichtungen gleichfalls an mehreren Stellen auf andere Weise gemessenen Pegel im Behälter von Flugkörpern, bei denen dann die einzelnen Meßwerte beispielsweise in Rechenanlagen zu einem Gesamtergebnis erst besonders verarbeitet werden müssen.

Die Anzahl der Meßstellen in einem Behälter hängt von der geforderten Meßgenauigkeit ab. In Fig. 4a und 4b sind zwei Meßstellen vorgesehen. Die miteinander verbundenen, eine Kondensatorbelegung darstellenden Leiterflächen 14 und 15 können flächenförmig oder stabförmig ausgebildet sein, und zwar je nach dem erforderlichen Kapazitätswert, der von der Größe der Dielektrizitätskonstanten des jeweils zu messenden Gutes abhängt. Die andere Kondensatorbelegung 16 wird von der Wandung des Behälters 11 gebildet. Die Pfeile von den abgehenden Verbindungsleitungen 12 und 13 sind an die Stelle zu führen, an der in Fig. 1 der Kondensator 6 oder 5 angeordnet ist. Das gilt gleichfalls für die in F i g. 5 wiedergegebene Anordnung. Aus der Fig. 4b erkennt man, daß bei dem gekippten Behälter der vom Betriebsstoff bedeckte Teil des Kondensators gleichgeblieben ist (die Strecke A ist gleich der Strecke B). Also wird sich dadurch die Anzeige auch nicht ändern. Treten jedoch quer zur Kipprichtung Beschleunigungskräfte auf, dann kann die Anzeige nicht mehr genau sein.

Daraus ist erkennbar, daß, wenn Kipp- und Beschleunigungsrichtung eines Fahrzeuges übereinstimmen, wie es in etwa für ein Auto zutrifft, auch die Elektroden in dieser Richtung wirkend angeordnet sein müssen. Für andere Fälle wird ein Meßaufbau nach F i g. 5 günstiger sein, der auch als Beispiel unter vielen möglichen gelten soll. Hiei besteht die eine Kondensatorbelegung beispielsweise aus vier den Ecken des Behälters angepaßten Elektroden 17, 18, 19 und 20, die jeweils den Ecken des Behälters 11 gegenüber angeordnet sind. Diese Elektroden können auch als gerade Platte ausgebildet sein. Dabei bildet dann wiederum die Wandung 16 des Behälters 11 die Gegenelektrode des Meßkondensators, während das zu messende Gut als Dielektrikum dient. Mit dieser Anordnung können schon wesentlich besser verschiedenartige Schwankungen des Behälters 11 meßtechnisch berücksichtigt werden. Eine fehlerfreie Anzeige wird in jedem Fall erhalten, wenn man die als eine Kondensatorplatte dienende Wandung des

>5 Behälters 11 in Form einer Kugelsghale ausführt und die andere, gegenüberliegende Platte des Kondensators auch als Kugelschale, jedoch mit kleinerem Durchmesser ausbildet, die in dem kugelschalenförmigen

Claims (3)

Meßgutbehälter im Abstand von dessen Wandung angeordnet ist. Dabei müssen dann deren Flächen unterbrochen sein, damit das zu messende Gut zwischen die Kondensatorplatten treten kann. Ein so entstandener Kugelkondensator braucht nicht aus ganzen Kugelschalen zu bestehen, und zwar um so weniger, wenn besondere Aufhängungen für den Behälter vorgesehen sind. Bei kardanischer Aufhängung des Behälters würde sich die Verwendung von kugelförmigen Behältern mit entsprechend geformter Kondensatorgegenelektrode erübrigen. Aber für kardanische Aufhängungen fehlt durchweg der Platz, und außerdem sind sie zu aufwendig. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Mengenmessung und Standanzeige von flüssigem, gasförmigem oder festem Gut mittels einer elektrischen Anordnung, die ein die Mengenmessung des Gutes bewirkendes Bauteil, vorzugsweise eine Kapazität oder einen ao temperaturabhängigen Widerstand, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Anordnung ein vorzugsweise symmetrischer und mit Transistoren (3, 4) betriebener Multivibrator angeordnet ist, bei dem die Kapazität (6) oder der Widerstand (8) eines die Impulsbreite bestimmenden Zeitkonstantengliedes als Meßorgan vorgesehen ist und durch den Unter-

schied der Impulsbreite an einer Stelle der einen Stufe und an der entsprechenden Stelle der anderen Stufe des Multivibrators eine Differenzspannung, für eine Anzeigeeinrichtung (2) oder für eine diesen Vergleichswert weiterverarbeitende Einrichtung abnehmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise ein temperaturabhängiger Widerstand (8) als Meßorgan verwendet ist, der in einem Zeitkonstantenglied des Multivibrators vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Belegung bzw. Platte des Meßkondensators aus einem als Kugelschale ausgebildeten Meßgutbehälter gebildet ist und die andere Belegung bzw. Platte aus einer zweiten, im Durchmesser kleineren Kugelschale besteht, die in dem kugelschalenförmigen Meßgutbehälter im Abstand von dessen Wandung angeordnet und durch Löcher oder andere Ausschnitte unterbrochen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 703 920;
deutsche Patentanmeldung F 7491 / IXb / 42 e (bekanntgemacht am 18. 3.1954);
USA.-Patentschrift Nr. 2 529 015;
Prospekt LF 3 der Firma Fielden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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