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Schaltungsanordnung zur Messung und Anzeige eines Betriebszustandes
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung und Anzeige eines Betriebszustandes,
der durch eine ohmsche Widerstandsänderung in einem Meßstromkreis darstellbar ist,
insbesondere zur Füllstandsanzeige in Behältern, wobei der Widerstand des Meßstromkreises
durch eine in das elektrisch leitfähige Füllgut ein- oder aus diesem austauchende
Elektrode verändert wird.
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Unter ohmscher Widerstandsänderung ist eine Änderung in der Größenordnung
von mindestens 1: 2 und kleiner bis zu 1: ovo zu verstehen, also bis zu einer Unterbrechung
(oder Schließung) des Meßstromkreises durch den anzuzeigenden Betriebszustand. Die
Erfindung wird an Hand der besonderen Anwendung für eine Füllstandsanzeige erläutert,
sie ist aber in allen Fällen einer Unterbrechung (oder Schließung) des Meßstromkreises
insbesondere dann anwendbar, wenn im Meßstromkreis nur ein so geringer Strom fließt,
daß er für die unmittelbare Steuerung einer Anzeige nicht ausreichend ist.
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Für die Anzeige eines bestimmten Füllstandes in einem Behälter wurde
bereits vorgeschlagen, einen über eine in das Füllgut eintauchende Elektrode fließenden
Gleichstrom durch Transistoren zu verstärken und den verstärkten Strom für die Steuerung
eines Schalttransistors zu verwenden. Wegen des hohen spezifischen Widerstandes
manchen Füllguts ist eine definierte Anzeige eines bestimmten Füllstandes vielfach
nicht möglich, und außerdem bereitet die Ausführung eines Transistorverstärkers
mit ausreichender thermischer Stabilität wegen des kleinen Stromes Schwierigkeiten
und erfordert einen hohen Aufwand. Es sind ferner verschiedene Meßverfahren zur
Füllstandsmessung mittels in das Füllgut eintauchender Elektroden und elektrischer
Schwingkreise bekannt, welche aber alle auf einer Kapazitätsmessung mit Hilfe aufwendiger
Brückenschaltungen beruhen. Weiter sind noch sogenannte »Reißverfahren« bekannt,
die ebenfalls auf einer Kapazitätsänderung in Schwingkreisen beruhen. Diese bekannten
Verfahren erfordern hohe Frequenzen und erlauben daher nur kurze und abgeschirmte
Verbindungsleitungen. Sie sind gleichfalls sehr aufwendig, empfindlich auf Schwankungen
der Speisespannung und erfordern einen genauen Abgleich auf den jeweiligen Anwendungsfall.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung gestattet dagegen eine
definierte Füllstandsanzeige mit einem relativ geringen Aufwand und kann an den
spezifischen Widerstand des Füllguts weitgehend angepaßt werden.
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Die Erfindung besteht in der Anwendung eines an
sich bekannten elektrischen
Schwingkreises mit einem Transistor und einem Übertrager, an dessen Übertragerwicklung
der Meßstromkreis mit dem veränderlichen Widerstand zwischen Füllgut und Elektrode
angeschlossen und das Anzeigemittel im Emitter- oder Kollektorzweig des Transistors
eingeschaltet ist.
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Wenn der anzuzeigende Betriebszustand durch das Austauchen einer
Elektrode aus dem Füllgut gegeben ist, dann wird der Meßstromkreis parallel zu einer
Übertragerwicklung geschaltet und der Schwingkreis als Sperrschwinger ausgelegt
und derart bemessen, daß er durch eine Widerstandszunahme im Meßstromkreis erregbar
ist. Im anderen Fall, wenn der Betriebszustand durch das Eintauchen einer Elektrode
in das Füllgut dargestellt ist, wird der Meßtstromkreis in Reihe mit einer Übertragerwicklung
geschaltet und der Schwingkreis als Sperrschwinger derart ausgelegt und bemessen,
daß er durch eine Widerstandsabnahme im Meßstromkreis erregbar ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von verschiedenen Ausführungsbeispielen
einer Einrichtung zur Anzeige eines bestimmten Flüssigkeitsstandes in Behältern
näher erläutert, wobei die Standhöhe durch das Ein- oder Austauchen der Elektrode
eines Meßstromkreises bestimmt ist.
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F i g. 1 bis 5 zeigen verschiedene Beispiele zur Steuerung des Anzeigestromkreises,
wobei der Meßstromkreis parallel zu einer Wicklung des Übertragers des Schwingkreises
geschaltet ist und die Anzeige durch eine Widerstandszunahme im Meßstromkreis ausgelöst
wird; F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Reihenschaltung des Meßstromkreises
mit dem Schwingkreis, wobei die Anzeige durch eine Widerstandsabnahme im Meßstromkreis
ausgelöst wird.
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Der Schwingkreis in den Ausführungen nach den Fig. 1 bis 5 stellt
eine bekannte Sperrschwingerschaltung dar, die durch einen Transistor T, der Eingangswicklung
W1
sowie der Rückkopplungswicklung W2 eines Übertragers Ü gebildet ist. Der Meßstromkreis
über die Elektrode E, die Flüssigkeit sowie den Behälter als zweite Elektrode liegt
parallel zu einer zusätzlichen Kopplungswicklung W3 an den KlemmenS und 6 des Übertragers
S. Er kann in gleicher Weise auch parallel zu einer der anderen Wicklungen des Übertragers,
an den Klemmen 1 und 2 parallel zu W1 oder an den Klemmen 3 und 4 parallel zur Rückkopplungswicklung
W2 an den Schwingkreis gekoppelt sein. Der Schwingkreis ist bei diesen Ausführungsbeispielen
derartig bemessen, daß bei eingetauchter Elektrode E infolge des relativ kleinen
Widerstandes parallel zur Übertragerwicklung keine Schwingung entstehen kann, bei
ausgetauchter Elektrode dagegen wegen des relativ hohen Widerstandes sich der Schwingkreis
erregt.
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In Fig. 1 ist der Anzeigestromkreis durch die Verbindung von Emitter
über eine Glühlampe zum Pluspol der Stromquelle gebildet. Sinkt die Flüssigkeit
im Behälter so weit ab, daß die Elektrode E austaucht, dann erregt sich der Schwingkreis,
und die Signallampe L leuchtet auf.
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Bei der Ausführung nach F i g. 2 ist zur Erhöhung der thermischen
Stabilität der Schaltung in den Anzeigestromkreis in an sich bekannter Weise eine
Diode D eingeschaltet.
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An Stelle einer Signallampe nach F i g. 1 kann zur mittelbaren Steuerung
eines Anzeigestromkreises ein Relais S (F i g. 3) oder die Emitter-Basis-Strecke
eines Schalttransistors T1 (Fig. 4) treten. Die Anzeige ist bei diesen Ausführungsbeispielen
wieder durch eine Signallampe L schematisch dargestellt. Der Kondensator C (F i
g. 3) dämpft die infolge der Induktivität der Relais spule S entstehende Spitze
der Abschaltspannung des Transistors T und ermöglicht das selbsttätige Aufschaukeln
einer Schwingung bei offener Wicklung W3, also bei ausgetauchter Elektrode E, was
sonst durch die Induktivität der Spule verhindert werden kann. In der Schaltung
nach F i g. 4 sind die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T1 und der Widerstand
R1 in Reihe geschaltet, und der Widerstand, parallel zu Emitter und Basis des Transistors
T1 verbessert dessen thermische Stabilität.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist der Transistor T3 bei gedämpftem
Schwingkreis (eingetauchte Elektrode E) über den Widerstand R ausgesteuert und der
durch die SignallampeL dargestellte Anzeigestromkreis über den Transistor T1 geschlossen;
die Lampe L leuchtet auf. Bei erregtem Schwingkreis (ausgetauchte Elektrode E) wird
der Kondensator C von einer zusätzlichen Wicklung W4 des Übertragers Ü über die
Diode D aufgeladen und der Transistor T1 dadurch gesperrt; der Anzeigestromkreis
ist unterbrochen.
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Die Schaltungen der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 bis 5
sind durch ihre Anpassungsfähigkeit an den spezifischen Widerstand des Füllgutes,
der sehr hoch sein kann, sowie durch ihre gute thermische Stabilität ausgezeichnet.
Sämtliche Schaltungen können so ausgelegt werden, daß der Transistor ausschließlich
als Schalter arbeitet, der Schwingkreis also zu einer Rechteckschwingung erregt
wird. Dadurch ist die Transistorverlustleitung klein gehalten, was der thermischen
Stabilität zustatten kommt.
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Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist der Meßstromkreis mit dem Schwingkreis
über die Rückkopplungswicklung W2 in Reihe geschaltet. Beim Eintauchen der Elektrode
E wird die Wicklung W2 angekoppelt und dadurch der Schwingkreis erregt, im Gegensatz
zu den Schaltungen der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 5, die durch das
Eintauchen der Elektrode E gedämpft werden. Die Schaltung nach Fig. 6 ist jedoch
bei Verwendung eines Germaniumtransistors thermisch nicht so hoch wie die anderen
Schaltungen belastbar. Sie kann im gleichen Sinne wie die Schaltungen nach F i g.
1 bis 5 abgewandelt werden.
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In allen Schaltungsbeispielen ist das Anzeigemittel im Emitterzweig
des Transistors T eingeschaltet. Mit ähnlichem Schaltungsaufwand und gleicher Funktion
kann das Anzeigemittel auch im Kollektorzweig des Transistors eingeschaltet werden.
Selbst eine Einschaltung im Basiszweig ist möglich, jedoch wird in diesem Fall der
Schaltungsaufwand schon wegen der notwendigen Verstärkung des kleinen Basisstromes
ungünstig groß.