DE19536199C2 - Verfahren zur Einstellung des Schaltpunktes bei einem kapazitiven Füllstandsgrenzschalter - Google Patents

Verfahren zur Einstellung des Schaltpunktes bei einem kapazitiven Füllstandsgrenzschalter

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Schaltpunktes bei einem kapazitiven Füllstandsgrenzschalter mit
  • - einer kapazitiven Sonde, die auf der Höhe des zu über­ wachenden Füllstands so montiert ist, daß sie von dem Füllgut bedeckt wird, wenn der Füllstand diese Höhe erreicht, wobei die Sonde im bedeckten Zustand einen größeren Kapazitätswert als im unbedeckten Zustand aufweist,
  • - einer Kapazitätsmeßschaltung, die die Kapazität der Sonde mißt und ein den Meßwert der Kapazität darstellendes Signal abgibt, und
  • - einem Komparator, der den Kapazitätsmeßwert mit einem den Schaltpunkt bestimmenden einstellbaren Schwellenwert ver­ gleicht und ein binäres Signal abgibt, dessen Zustand davon abhängt, ob der Kapazitätsmeßwert über oder unter dem Schwellenwert liegt.
Kapazitive Füllstandsgrenzschalter dieser Art sind bei­ spielsweise aus den Druckschriften US 4,499,767 und DD 2 85 414 A5 bekannt. Bei dem in der US 4,499,767 beschrie­ benen Füllstandsgrenzschalter beeinflußt die Sondenkapazität die Resonanzfrequenz eines an einen HF-Oszillator ange­ schlossenen einstellbaren LC-Resonanzkreises, und die Fest­ stellung des Füllstands erfolgt aufgrund der dadurch verur­ sachten Phasenverschiebung. Bei dem Füllstandsgrenzschalter gemäß der DD 2 85 414 A5 bildet die Sondenkapazität die frequenzbestimmende Kapazität eines Oszillators, und die Feststellung des Füllstands erfolgt durch Auswertung der Oszillatorfrequenz.
Damit kapazitive Grenzschalter der vorstehend angegebenen Art einwandfrei arbeiten, ist die richtige Einstellung des den Schaltpunkt bestimmenden Schwellenwertes wesentlich. Die Kapazitätswerte, die die kapazitiven Sonden im bedeckten und im unbedeckten Zustand haben, sind beispielsweise bei Sonden unterschiedlicher Lange verschieden, und sie hängen außerdem von den Eigenschaften des Füllguts und von den Einbauver­ hältnissen ab. Wenn der Schaltpunkt zu niedrig eingestellt ist, kann es daher vorkommen, daß er schon bei geringfügigen Änderungen der Sondenkapazität, beispielsweise infolge einer Ansatzbildung, überschritten wird, obwohl die Sonde nicht vom Füllgut bedeckt ist; ist der Schaltpunkt dagegen zu hoch eingestellt, kann es vorkommen, daß er nicht erreicht wird, wenn die Sonde vom Füllgut bedeckt ist. Es ist daher üblich, nach dem Einbau einer Sonde den Füllstandsgrenzschalter ab­ zugleichen, um den optimalen Schaltpunkt einzustellen.
In der US 4,499,767 ist ein Verfahren zum automatischen Abgleich des Füllstandsgrenzschalters und zur Einstellung des Schaltpunktes beschrieben, das von der Bedienungsperson durch Betätigung eines Schalters ausgelöst wird. Dieses Verfahren setzt voraus, daß der Füllstand im Behälter auf die Höhe eingestellt ist, bei der der Füllstandsgrenz­ schalter ansprechen soll. Nach der Auslösung des Abgleichs werden dann automatisch Hilfskondensatoren zu dem LC-Reso­ nanzkreis hinzugeschaltet, bis eine vorbestimmte Phasenbe­ ziehung erreicht ist. Dieses Verfahren entspricht somit einem üblichen Stand der Technik, wonach der Abgleich ex­ perimentell erfolgt, indem zunächst der Füllstandsgrenz­ schalter auf den Kapazitätswert abgeglichen wird, den die Sonde in dem gerade herrschenden Zustand (bedeckt oder unbedeckt) hat, dann der Behälter soweit gefüllt oder entleert wird, bis sich die Sonde in dem anderen Zustand befindet, und dann der Füllstandsgrenzschalter auf den anderen Kapazitätswert abgeglichen wird. Dieses Verfahren ist aufwendig, weil gegebenenfalls große Mengen an Füllgut zugefügt oder entnommen werden müssen, und es ist in manchen Fällen nicht durchführbar. Von Nachteil ist auch, daß zwischen den beiden Abgleichvorgängen ein Zeitabstand besteht, der beträchtlich sein kann. In Fällen, in denen dieses Verfahren nicht durchführbar ist, z. B. wenn nicht in einen laufenden Prozeß eingegriffen werden kann, wird häufig ein Verfahren angewendet, bei dem zunächst der Füllstands­ grenzschalter auf den Kapazitätswert abgeglichen wird, den die Sonde in dem gerade herrschenden Zustand hat, und dann der Schaltpunkt festgelegt wird, indem ein fester Bezugs­ wert, z. B. ein in einer Tabelle gespeicherter Referenzwert, zu dem Abgleichwert hinzuaddiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das mit einem einzigen Abgleich auf den gerade verfügbaren Kapazitätswert der Sonde eine automatische Einstellung des Schwellenwertes zur Erzielung eines optimalen Schaltpunkts ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß zum Abgleich des Füllstandsgrenzschalters und zur Ein­ stellung des Schaltpunkts
  • - der im bestehenden Betriebszustand verfügbare Kapazitäts­ meßwert als erster Referenzwert gespeichert wird;
  • - ein zweiter Referenzwert gespeichert wird, der dadurch gebildet wird, daß ein vorbestimmter Betrag zu dem ersten Referenzwert addiert wird, wenn der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, bzw. von dem ersten Referenzwert subtrahiert wird, wenn der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist;
  • - der Schwellenwert nach einer vorgegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespeicherten Referenzwerte so berechnet wird, daß er zwischen den beiden Referenzwerten liegt;
  • - im weiteren Betrieb die Kapazitätsmeßwerte fortlaufend mit dem gespeicherten zweiten Referenzwert verglichen werden und ein Kapazitätsmeßwert als neuer zweiter Referenzwert gespeichert wird, wenn er, falls der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag überschreitet oder, falls der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterschreitet;
  • - nach jeder Speicherung eines neuen Referenzwerts der Schwellenwert nach der vorgegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespeicherten Referenzwerte neu berechnet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nur ein Ab­ gleich, der bei bedeckter oder bei unbedeckter Sonde vor­ genommen werden kann. Anschließend wird im Betrieb der den Schaltpunkt bestimmende Schwellenwert auf Grund der Kapazi­ tätsmeßwerte, die beim Über- oder Unterschreiten des zu überwachenden Füllstands erhalten werden, erforderlichen­ falls neu berechnet und dadurch an die Eigenschaften der Sonde und des Füllguts optimal angepaßt. Hierzu sind keine Kenntnisse über die elektrischen Eigenschaften des Füllguts erforderlich. Alle erforderlichen Vergleiche, Berechnungen und Speicherungen können von einer programmgesteuerten Recheneinheit automatisch durchgeführt werden.
Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ eigneter kapazitiver Füllstandsgrenzschalter enthält dem­ gemäß eine programmgesteuerte Recheneinheit zur Speicherung der Referenzwerte, zur Durchführung der Vergleiche und zur Berechnung und Speicherung des Schwellenwertes, die an einem Eingang die Kapazitätsmeßwerte vom Ausgang der Kapazitäts­ meßschaltung empfängt und an einem Ausgang den gespeicherten Schwellenwert zu dem Komparator liefert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 zwei kapazitive Füllstandsgrenzschalter, die an einem Behälter zur Überwachung eines maximalen Füllstands und eines minimalen Füllstands angebracht sind, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Elektronik eines der Füll­ standsgrenzschalter von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Behälter 10, der ein Füllgut 11 enthält, dessen Füllstand überwacht werden soll. Der Füllstand ist die Höhe H der Oberfläche des Füllguts über der tiefsten Stelle des Behälters. Der Füllstand H soll eine maximale Höhe Hmax nicht überschreiten und eine minimale Höhe Hmin nicht unterschreiten. Zur Überwachung des maximalen Füll­ stands ist eine kapazitive Sonde 12 so am Behälter 10 mon­ tiert, daß sie vom Füllgut 11 nicht bedeckt ist, wenn der Füllstand niedriger als die Höhe Hmax ist, und daß sie vom Füllgut 11 bedeckt wird, wenn der Füllstand die Höhe Hmax erreicht oder überschreitet. Zur Überwachung des minimalen Füllstands ist eine kapazitive Sonde 13 so am Behälter 10 montiert, daß sie vom Füllgut 11 bedeckt ist, wenn der Füll­ stand höher als die Höhe Hmin ist, und daß sie vom Füllgut 11 nicht mehr bedeckt ist, wenn der Füllstand unter die Höhe Hmin fällt. Jede kapazitive Sonde 12, 13 hat im bedeckten Zustand eine Kapazität, die größer als ihre Kapazität im unbedeckten Zustand ist. Eine mit der Sonde 12 verbundene Elektronik 14 mißt die Kapazität der Sonde und vergleicht die gemessene Kapazität mit einem Schwellenwert. Wenn die gemessene Kapazität kleiner als der Schwellenwert ist, wird angenommen, daß die Sonde 12 nicht vom Füllgut bedeckt ist, daß also der maximale Füllstand Hmax im Behälter 10 nicht erreicht ist. Wenn dagegen die gemessene Kapazität größer als der Schwellenwert ist, wird angenommen, daß der maximale Füllstand Hmax erreicht oder überschritten ist. Die Elektro­ nik 14 gibt dann ein Signal ab, das ein Relais 15 ansteuert. Das Relais 15 kann dann beispielsweise einen laufenden Füll­ vorgang beenden, um eine Überfüllung des Behälters 10 zu verhindern, und/oder eine Anzeigevorrichtung einschalten, die anzeigt, daß der maximale Füllstand erreicht ist.
Da die aus der Sonde 12, der Elektronik 14 und dem Relais 15 bestehende Einheit einen Schaltvorgang ausführt, wenn der Füllstand im Behälter 10 einen vorbestimmten Grenzwert er­ reicht, wird eine solche Einheit auch als Füllstandsgrenz­ schalter bezeichnet.
In gleicher Weise bildet die Sonde 13 mit einer Elektronik 16 und einem Relais 17 einen Füllstandsgrenzschalter, der überwacht, ob der Füllstand im Behälter 16 unter den unteren Grenzwert Hmin fällt. In diesem Fall wird das Relais 17 zur Auslösung eines Schalt- oder Anzeigevorgangs dann ausgelöst, wenn die Elektronik 16 feststellt, daß die gemessene Kapazi­ tät der Sonde 13 kleiner als der Schwellenwert ist.
In jedem Fall ändert sich der Meßwert CM der Kapazität der Sonde 12 bzw. 13 zwischen zwei Werten:
  • - einem minimalen Kapazitätswert Cmin, den die Sonde hat, wenn sie nicht vom Füllgut bedeckt ist, und
  • - einem maximalen Kapazitätswert Cmax, den die Sonde hat, wenn sie vollständig vom Füllgut bedeckt ist.
Wenn die Sonde nur teilweise vom Füllgut bedeckt ist, kann ihre Kapazität, je nach dem Grad der Bedeckung, jeden Zwischenwert zwischen diesen beiden Extremwerten annehmen.
Der Schwellenwert CS, der den Schaltpunkt bestimmt, muß zwi­ schen den beiden Kapazitätswerten Cmin und Cmax liegen. Die richtige Wahl des Schwellenwerts CS ist für das einwandfreie Arbeiten des Füllstandsgrenzschalters wichtig.
Die Kapazitätswerte Cmin und Cmax liegen nicht von vorn­ herein fest. Sie sind für Sonden unterschiedlicher Länge verschieden und hängen außerdem von den Eigenschaften des Füllguts und von den Einbauverhältnissen ab. Die Eigenschaf­ ten des Füllguts wirken sich insbesondere auf den Kapazi­ tätswert Cmax aus. Der Kapazitätswert Cmin kann beispiels­ weise durch Ansatzbildungen an der Sonde beeinflußt werden.
Um den Schwellenwert CS für den optimalen Schaltpunkt be­ stimmen zu können, müssen die beiden Kapazitätswerte Cmin und Cmax bekannt sein. Für die Sonde 12 in Fig. 1 läßt sich der Kapazitätsmeßwert Cmin leicht ermitteln, denn die Sonde ist im normalen Betrieb nicht von dem Füllgut bedeckt, so daß die Messung der Sondenkapazität unmittelbar den Kapazi­ tätswert Cmin für die Sonde im unbedeckten Zustand ergibt. Die Ermittlung des Kapazitätswerts Cmax durch Messung ist jedoch gewöhnlich nicht ohne weiteres möglich, denn hierzu müßte der Behälter 10 bis über den maximalen Füllstand Hmax gefüllt werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden und in manchen Fällen auch nicht möglich wäre.
Umgekehrt läßt sich für die Sonde 13 in Fig. 1 der Kapazi­ tätsmeßwert Cmax leicht ermitteln, denn diese Sonde ist im normalen Betrieb von dem Füllgut bedeckt, so daß die Messung der Sondenkapazität unmittelbar den Kapazitätswert Cmax er­ gibt. Die Ermittlung des Kapazitätswerts Cmin durch Messung ist jedoch gewöhnlich nicht ohne weiteres möglich, denn hierzu müßte der Behälter 10 bis unter den minimalen Füll­ stand Hmin entleert werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden und in vielen Fällen nicht zulässig wäre.
Anhand von Fig. 2 wird erläutert, wie mit einem einzigen Ab­ gleich entweder auf den Kapazitätswert Cmin bei unbedeck­ ter Sonde oder auf den Kapazitätswert Cmax bei bedeckter Sonde, jeweils ohne Kenntnis des anderen Kapazitätswerts, der Schwellenwert CS zur Erzielung eines optimalen Schalt­ punkts eingestellt werden kann.
In Fig. 2 ist die Kapazität CM der Sonde 12 symbolisch durch einen veränderlichen Kondensator 20 dargestellt. Ferner ist die Elektronik 14 des Füllstandsgrenzschalters in näheren Einzelheiten gezeigt: sie enthält eine Kapazitätsmeßschal­ tung 21, einen Komparator 22 und eine Recheneinheit 23. Die Kapazitätsmeßschaltung 21 mißt die Kapazität CM der Sonde und gibt am Ausgang eine der gemessenen Kapazität proportionale Größe ab. Diese Größe ist beispielsweise eine Frequenz, wenn einer üblichen Praxis entsprechend die Sonde als frequenzbestimmendes Glied einer Oszillatorschaltung verwendet wird, deren Frequenz dann unmittelbar von der Sondenkapazität CM abhängt. Die Sondenkapazität könnte je­ doch auch durch eine andere elektrische Größe dargestellt sein, beispielsweise durch einen Strom oder eine Spannung.
Das die Sondenkapazität darstellende Signal wird einerseits einem ersten Eingang des Komparators 22 und andererseits der Recheneinheit 23 zugeführt. Die Recheneinheit 23 liefert zu einem zweiten Eingang des Komparators 22 ein Signal, das den Schwellenwert CS angibt. Der Komparator 22 vergleicht den von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferten Kapazi­ tätsmeßwert CM mit dem von der Recheneinheit 23 geliefer­ ten Schwellenwert CS und gibt am Ausgang ein binäres Signal ab, dessen Wert 1 oder 0 anzeigt, ob der gemessene Kapazi­ tätswert CM größer oder kleiner als der Schwellenwert CS ist. Dieses binäre Signal steuert das Relais 15.
Die Recheneinheit 23 ist durch einen Mikrocomputer gebil­ det, der einen Speicher 24 enthält und so programmiert ist, daß er den Schwellenwert CS in der nachfolgend beschriebenen Weise berechnet. Die Recheneinheit 23 hat drei weitere Ein­ gänge, denen binäre Steuersignale A, B, C zugeführt werden. Diese Signale werden von der Bedienungsperson eingestellt und haben die folgende Bedeutung:
  • - Wenn das Signal A den Wert 1 hat, wird dadurch der Rechen­ schaltung 23 angezeigt, daß der Kapazitätsmeßwert CM von einer unbedeckten Sonde stammt;
  • - wenn das Signal B den Wert 1 hat, wird dadurch der Rechen­ schaltung 23 angezeigt, daß der Kapazitätsmeßwert CM von einer vollständig bedeckten Sonde stammt;
  • - wenn das Signal C den Wert 1 hat, wird dadurch der Rechen­ schaltung mitgeteilt, daß der Schwellenwert CS zur Schalt­ punktoptimierung kontrolliert und, falls erforderlich, neu berechnet werden soll.
Die der Sonde 13 zugeordnete Elektronik 16 hat den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise wie die Elektronik 14.
Nach dem Einbau der Sonde oder nach einer Änderung der Betriebsverhältnisse erfolgt ein Abgleich des Geräts auf den verfügbaren Kapazitätswert. Dies ist bei unbedeckter Sonde der Kapazitätswert Cmin und bei bedeckter Sonde der Kapazi­ tätswert Cmax. Die Bestimmung des Schwellenwerts CS für den optimalen Schaltpunkt erfolgt in den beiden Fällen auf unterschiedliche Weise und wird daher nachfolgend für die beiden Fälle getrennt beschrieben.
1. Abgleich bei unbedeckter Sonde
Das Signal A hat den Wert 1 und das Signal B hat den Wert 0, wodurch der Recheneinheit 23 angezeigt wird, daß der von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferte Kapazitätsmeßwert CM dem Kapazitätswert Cmin entspricht. Die Recheneinheit 23 speichert daher den Kapazitätsmeßwert CM als ersten Referenzwert C₀ im Speicher 24:
C₀ = CM = Cmin.
Da der Kapazitätswert Cmax nicht bekannt ist, bildet die Recheneinheit 23 ersatzweise einen zweiten Referenzwert C₁, indem sie zu dem ersten Referenzwert C₀ einen vorgege­ benen Wert ΔC addiert:
C₁ = C₀ + ΔC.
Der Wert ΔC ist ein sondenspezifischer Wert, der bei­ spielsweise dem kleinsten möglichen Schaltabstand ent­ spricht. Der zweite Referenzwert C₁ ist daher in der Regel wesentlich niedriger als der Kapazitätswert Cmax. Er wird gleichfalls im Speicher 24 gespeichert. Ferner hält die Recheneinheit 23 im Speicher 24 fest, ob im Zeitpunkt des Abgleichs das Signal A oder das Signal B den Wert 1 hatte. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß ein Signal X gespeichert wird, dem für A = 1 der Wert 0 und für B = 1 der Wert 1 erteilt wird. Im vorliegenden Fall wird also der Wert X = 0 gespeichert.
Nunmehr berechnet die Recheneinheit 23 den Schwellenwert CS nach einer vorgegebenen Funktion aus der Differenz zwi­ schen den beiden gespeicherten Referenzwerten C₁ und C₀:
CS = f(C₁ - C₀).
Im einfachsten Fall ist diese Funktion so gewählt, daß der Schwellenwert CS genau in der Mitte zwischen den beiden ge­ speicherten Referenzwerten C₁ und C₀ liegt. Die Funktion lautet dann:
CS = C₀ + (C₁ - C₀)/2 = (C₁ + C₀)/2.
Der berechnete Schwellenwert CS wird gleichfalls im Speicher 24 abgelegt.
Da nunmehr ein Schwellenwert vorliegt, wird der Betrieb des Füllstandsgrenzschalters freigegeben. Der gespeicherte Schwellenwert CS wird dem Komparator 22 zugeführt, der die von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferten Kapazitäts­ meßwerte CM mit diesem Schwellenwert CS vergleicht. Das Signal A wird wieder auf 0 gesetzt, und das Signal C wird auf 1 gesetzt, damit im weiteren Betrieb eine Schaltpunktopti­ mierung erfolgt. Hierzu prüft die Recheneinheit 23 in regelmäßigen Zeitabständen, ob der von der Kapazitätsmeß­ schaltung 21 gelieferte Kapazitätsmeßwert CM den gespeicher­ ten zweiten Referenzwert C₁ um mehr als einen vorgegebenen Betrag ΔCX übersteigt, was dann der Fall ist, wenn die Sonde ganz oder teilweise vom Füllgut bedeckt ist:
CM < C₁ + ΔCX.
Wenn dieser Fall eintritt, wird der gespeicherte zweite Referenzwert C₁ durch den aktuellen Meßwert CM ersetzt:
C₁ = CM.
Der neue Referenzwert C₁ kann der maximale Kapazitätswert Cmax sein, wenn bei seiner Erfassung die Sonde vollständig vom Füllgut bedeckt war, er kann aber auch ein kleinerer Wert sein, wenn er bei teilweise bedeckter Sonde erfaßt worden ist.
Anschließend wird aus den gespeicherten Referenzwerten C₁ und C₀ nach der vorgegebenen Funktion ein neuer Schwellen­ wert CS berechnet:
CS = f(C₁ - C₀).
Dieser neue Schwellenwert CS wird im Speicher 24 abgelegt und dem Komparator 22 zugeführt, der nunmehr die von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferten Kapazitätsmeßwerte CM mit diesem Schwellenwert vergleicht.
Wenn im weiteren Betrieb des Füllstandsgrenzschalters die Recheneinheit 23 erneut feststellt, daß ein von der Kapa­ zitätsmeßschaltung 21 gelieferter Kapazitätsmeßwert CM den zuletzt gespeicherten zweiten Referenzwert C₁ um mehr als den Betrag ΔCX übersteigt, wird der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt, d. h. dieser Kapazitätsmeßwert wird als zweiter Referenzwert C₁ gespeichert, und ein neuer Schwel­ lenwert CS wird nach der vorgegebenen Funktion aus den gespeicherten Referenzwerten C₀ und C₁ berechnet.
2. Abgleich bei vollständig bedeckter Sonde
Das Signal A hat den Wert 0 und das Signal B hat den Wert 1, wodurch der Recheneinheit 23 angezeigt wird, daß der von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferte Kapazitätsmeßwert CM dem Kapazitätswert Cmax entspricht. Die Recheneinheit 23 speichert daher den Kapazitätsmeßwert CM als ersten Referenzwert C₁ im Speicher 24:
C1 = CM = Cmax.
Da der Kapazitätswert Cmin nicht bekannt ist, bildet die Recheneinheit 23 ersatzweise einen zweiten Referenzwert C₀, indem sie den vorgegebenen Wert ΔC von dem ersten Referenzwert C₁ subtrahiert:
C₀ = C₁ - ΔC.
Der zweite Referenzwert C₀ ist in der Regel wesentlich höher als der Kapazitätswert Cmin. Er wird gleichfalls im Speicher 24 gespeichert. Ferner wird das gespeicherte Signal X auf den Wert 1 gesetzt.
Anschließend berechnet die Recheneinheit 23 den Schwellen­ wert CS in der zuvor beschriebenen Weise nach der vorgegebe­ nen Funktion aus der Differenz zwischen den beiden gespei­ cherten Referenzwerten C₁ und C₀:
CS = f(C₁ - C₀),
bei dem zuvor angegebenen Beispiel also nach der Funktion
CS = C₀ + (C₁ - C₀)/2 = (C₁ + C₀) /2.
Der berechnete Schwellenwert CS wird im Speicher 24 abge­ legt.
Anschließend wird der Betrieb des Füllstandsgrenzschalters freigegeben. Der gespeicherte Schwellenwert CS wird dem Komparator 22 zugeführt, der die von der Kapazitätsmeßschal­ tung 21 gelieferten Kapazitätsmeßwerte CM mit diesem Schwel­ lenwert CS vergleicht. Das Signal B wird auf 0 gesetzt und das Signal C wird auf 1 gesetzt, damit im weiteren Betrieb eine Schaltpunktoptimierung erfolgt. Hierzu prüft die Recheneinheit 23 in regelmäßigen Zeitabständen, ob der von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferte Kapazitätsmeßwert CM den gespeicherten zweiten Referenzwert C₀ um mehr als den vorgegebenen Betrag ΔCX unterschreitet, was dann der Fall ist, wenn die Sonde nicht mehr oder nur noch teilweise vom Füllgut bedeckt ist:
CM < C₀ - ΔCX.
Wenn dieser Fall eintritt, wird der gespeicherte zweite Referenzwert C₀ durch den aktuellen Meßwert CM ersetzt:
C₀ = CM
Der neue Referenzwert C₀ kann der minimale Kapazitätswert Cmin sein, wenn bei seiner Erfassung die Sonde vollständig vom Füllgut freigegeben war, er kann aber auch ein größerer Wert sein, wenn er bei noch teilweise bedeckter Sonde erfaßt worden ist.
Anschließend wird aus den gespeicherten Referenzwerten C₁ und C₀ nach der vorgegebenen Funktion ein neuer Schwellen­ wert CS berechnet:
CS = f(C₁ - C₀)
Dieser neue Schwellenwert CS wird im Speicher 24 abgelegt und dem Komparator 22 zugeführt, der nunmehr die von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelieferten Kapazitätsmeßwerte CM mit diesem Schwellenwert vergleicht.
Wenn im weiteren Betrieb der Schaltung die Recheneinheit 23 feststellt, daß ein von der Kapazitätsmeßschaltung 21 gelie­ ferter Kapazitätsmeßwert CM den zuletzt gespeicherten zwei­ ten Referenzwert C₀ um mehr als den Betrag ΔCX unter­ schreitet, wird der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt, d. h. der aktuelle Kapazitätsmeßwert CM wird als zweiter Referenzwert C₀ gespeichert und ein neuer Schwellenwert CS wird aus der Differenz der gespeicherten Referenzwerte C₁ und C₀ berechnet.
In den beiden zuvor beschriebenen Fällen des Abgleichs bei unbedeckter Sonde und bei vollständig bedeckter Sonde er­ folgt somit automatisch eine optimale Anpassung des Schalt­ punkts, obwohl nur ein Kapazitätswert der Sonde erfaßt wird.
Wenn das Signal C auf 0 gesetzt wird, unterbleibt eine weitere Schaltpunktoptimierung, und der Füllstandsgrenz­ schalter arbeitet mit dem zuletzt gespeicherten Schwellen­ wert CS weiter.
Anstelle der zuvor als Beispiel angegebenen Funktion, die den Schwellenwert CS stets genau in der Mitte zwischen den beiden gespeicherten Referenzwerten C₀ und C₁ hält, kann natürlich auch jede andere gewünschte Funktion für die Be­ rechnung des Schwellenwerts CS verwendet werden. Für die Berechnung des Schwellenwerts CS sind folgende Überlegungen maßgeblich:
  • - Die Differenz zwischen dem Schwellenwert CS und dem unte­ ren Referenzwert C₀ sollte groß sein, damit der Schaltab­ stand möglichst groß ist. Eine Ansatzbildung auf der Sonde erhöht die gemessene Kapazität der Sonde im unbedeckten Zustand und verringert den Schaltabstand, so daß bei einem zu niedrigen Schwellenwert die Gefahr besteht, daß die gemessene Kapazität den Schwellenwert übersteigt und das Erreichen des zu überwachenden Füllstands vortäuscht, ob­ wohl die Sonde in Wirklichkeit noch nicht von dem Füllgut bedeckt ist.
  • - Die Differenz zwischen dem oberen Referenzwert C₁ und dem Schwellenwert CS darf nicht zu gering sein, da sonst die Gefahr besteht, daß mäßige Änderungen der Dielektrizitäts­ konstante des Füllguts, z. B. durch Feuchtigkeitsänderun­ gen, bewirken können, daß der Schaltpunkt nicht mehr er­ reicht wird.
Ein günstiger Kompromiß zwischen diesen beiden einander widersprechenden Forderungen besteht darin, daß der Schwel­ lenwert CS bei kleinen Werten der Differenz C₁ - C₀ linear ansteigt, z. B. gemäß der oben angegebenen Funktion
CS = C₀ + (C₁ - C₀)/2,
und oberhalb eines festgelegten Wertes der Differenz C₁ - C₀ konstant bleibt. Es sind auch andere funktionale Zusammen­ hänge zwischen dem Schwellenwert CS und der Differenz C₁ - C₀ möglich, beispielsweise die Funktion
CS = C₀ + (C₁ - C₀)1/2.
Natürlich kann auch für die obere Sonde 12 der erste Refe­ renzwert im bedeckten Zustand erfaßt werden, wenn der Behäl­ ter 10 gerade überfüllt ist, und umgekehrt kann auch für die untere Sonde 13 der erste Referenzwert im unbedeckten Zu­ stand erfaßt werden, wenn der Behälter vollständig leer ist.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Speicherung eines neuen zweiten Referenzwerts und die Be­ rechnung eines neuen Schwellenwerts immer dann, wenn die Recheneinheit 23 feststellt, daß ein Kapazitätsmeßwert um mehr als den vorgegebenen Betrag ΔCX von dem gespeicherten zweiten Referenzwert abweicht. Um den Einfluß von Störungen oder sporadisch auftretenden Meßfehlern auf die Schaltpunkt­ bestimmung zu verringern, besteht eine vorteilhafte Abände­ rung des beschriebenen Verfahrens darin, daß der Vergleich nicht auf Grund einzelner Kapazitätsmeßwerte erfolgt, son­ dern auf Grund des Mittelwerts einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Kapazitätsmeßwerten. Diese Mittelwert­ bildung erfolgt in der Recheneinheit 23.
Eine Variante dieser Abänderung besteht darin, daß die Recheneinheit zwar die Bestimmung der Abweichung an den einzelnen Kapazitätsmeßwerten vornimmt, einen neuen Schwel­ lenwert aber erst dann berechnet, wenn die Abweichung an einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Kapazi­ tätsmeßwerten festgestellt worden ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Einstellung des Schaltpunktes bei einem kapazitiven Füllstandsgrenzschalter mit
  • - einer kapazitiven Sonde, die auf der Höhe des zu über­ wachenden Füllstands so montiert ist, daß sie von dem Füllgut bedeckt wird, wenn der Füllstand diese Höhe erreicht, wobei die Sonde im bedeckten Zustand einen größeren Kapazitätswert als im unbedeckten Zustand aufweist,
  • - einer Kapazitätsmeßschaltung, die die Kapazität der Sonde mißt und ein den Meßwert der Kapazität darstellendes Signal abgibt, und
  • - einem Komparator, der den Kapazitätsmeßwert mit einem den Schaltpunkt bestimmenden einstellbaren Schwellenwert ver­ gleicht und ein binäres Signal abgibt, dessen Zustand davon abhängt, ob der Kapazitätsmeßwert über oder unter dem Schwellenwert liegt,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleich des Füllstands­ grenzschalters und zur Einstellung des Schaltpunkts
  • - der im bestehenden Betriebszustand verfügbare Kapazitäts­ meßwert als erster Referenzwert gespeichert wird;
  • - ein zweiter Referenzwert gespeichert wird, der dadurch gebildet wird, daß ein vorbestimmter Betrag zu dem ersten Referenzwert addiert wird, wenn der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, bzw. von dem ersten Referenzwert subtrahiert wird, wenn der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist;
  • - der Schwellenwert nach einer vorgegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespeicherten Referenzwerte so berechnet wird, daß er zwischen den beiden Referenzwerten liegt;
  • - im weiteren Betrieb die Kapazitätsmeßwerte fortlaufend mit dem gespeicherten zweiten Referenzwert verglichen werden und ein Kapazitätsmeßwert als neuer zweiter Referenzwert gespeichert wird, wenn er, falls der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag überschreitet oder, falls der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterschreitet;
  • - nach jeder Speicherung eines neuen Referenzwerts der Schwellenwert nach der vorgegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespeicherten Referenzwerte neu berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Funktion so bestimmt ist, daß der Schwellen­ wert für alle Werte der Differenz der beiden Referenzwerte in der Mitte zwischen den beiden Referenzwerten liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Funktion so bestimmt ist, daß der Schwellen­ wert bis zu einem vorgegebenen Höchstwert der Differenz der beiden Referenzwerte in der Mitte zwischen den beiden Refe­ renzwerten liegt und für größere Werte der Differenz einen konstanten Wert hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Funktion einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Schwellenwert und der Differenz der beiden Referenzwerte ergibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusammen mit dem ersten Referenzwert ein Signal gespeichert wird, das angibt, ob der erste Referenz­ wert bei bedeckter oder bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl von Kapazitätsmeßwerten gebildet und als neuer zweiter Referenzwert gespeichert wird, wenn er um mehr als den vorbestimmten Betrag von dem gespeicherten Referenzwert abweicht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Speicherung eines neuen zweiten Referenzwerts erst dann erfolgt, wenn eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Kapazitätsmeßwerten um den vorbestimmten Betrag von dem gespeicherten Referenzwert abgewichen sind.
8. Kapazitiver Füllstandsgrenzschalter mit
  • - einer kapazitiven Sonde, die auf der Höhe des zu über­ wachenden Füllstands so montiert ist, daß sie von dem Füllgut bedeckt wird, wenn der Füllstand diese Höhe erreicht, wobei die Sonde im bedeckten Zustand einen größeren Kapazitätswert als im unbedeckten Zustand aufweist,
  • - einer Kapazitätsmeßschaltung, die die Kapazität der Sonde mißt und ein den Meßwert der Kapazität darstellendes Signal abgibt, und
  • - einem Komparator, der den Kapazitätsmeßwert mit einem den Schaltpunkt bestimmenden einstellbaren Schwellenwert ver­ gleicht und ein binäres Signal abgibt, dessen Zustand davon abhängt, ob der Kapazitätsmeßwert über oder unter dem Schwellenwert liegt,
    gekennzeichnet durch eine programmgesteuerte Recheneinheit
  • - zur Speicherung des im bestehenden Betriebszustand verfügbaren Kapazitätsmeßwertes als erster Referenzwert;
  • - zur Berechnung eines zweiten Referenzwertes durch Addi­ tion eines vorbestimmten Betrags zu dem ersten Referenz­ wert, wenn der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, bzw. durch Subtraktion des vorbestimm­ ten Betrags von dem ersten Referenzwert, wenn der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist;
  • - zur Berechnung des Schwellenwerts nach einer vorgegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespeicherten Referenzwerte derart, daß der Schwellenwert zwischen den beiden Referenzwerten liegt;
  • - zum fortlaufenden Vergleich der Kapazitätsmeßwerte mit dem gespeicherten zweiten Referenzwert und zur Speiche­ rung eines zweiten Kapazitätsmeßwertes als neuer zweiter Referenzwert, wenn er, falls der erste Referenzwert bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag überschreitet oder, falls der erste Referenzwert bei bedeckter Sonde erfaßt worden ist, den gespeicherten zweiten Referenzwert um mehr als einen vorbestimmten Betrag unterschreitet; und
  • - zur Berechnung eines neuen Schwellenwertes nach der vor­ gegebenen Funktion aus der Differenz der beiden gespei­ cherten Referenzwerte nach jeder Speicherung eines neuen zweiten Referenzwertes,
wobei die Recheneinheit an einem Eingang die Kapazitäts­ meßwerte vom Ausgang der Kapazitätsmeßschaltung empfängt und an einem Ausgang den gespeicherten Schwellenwert zu dem Komparator liefert.
9. Kapazitiver Füllstandsgrenzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit an weiteren Eingängen Signale empfängt, die anzeigen, ob ein Kapazitäts­ meßwert bei bedeckter oder bei unbedeckter Sonde erfaßt worden ist.
10. Kapazitiver Füllstandsgrenzschalter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit an einem weiteren Eingang ein Steuersignal empfängt, das festlegt, ob die Berechnung neuer Schwellenwerte zur Schaltpunktoptimie­ rung erfolgen soll oder nicht.
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